2012TI电子设计大赛——微弱信号检测装置(A题).doc要点

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12年A题实验报告(微弱信号检测装置)要点

2012年全国大学生电子设计竞赛【本科组】微弱信号检测装置（A题）摘要：本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。

该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。

其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路和显示电路完成微小信号的检测和显示在液晶屏上。

本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过比较器产生方波去驱动开关乘法器CD4053，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号，将该直流信号送入单片机处理后，液晶显示出来。

经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。

关键词：微弱信号强噪声相敏检测Abstract: The system is of weak signal detection based on lock-in amplifier device, used for the detection of known weak sinusoidal signal under strong noise background frequency amplitude. The system consists of an adder, pure resistor divider network, weak signal detection circuit and display circuit. The adder and the pure resistor divider network to produce small signal, weak signal detection circuit and display circuit to complete the detection of tiny signal and displayed on the LCD screen. The system is based on a phase sensitive detector as the core, the reference signal through the phase shifter, then through the comparator produces Fang Bo todrive switch multiplier CD4053, finally through the low pass filter output DC signal detection ofweak signal, the DC signal into the microcontroller processing, liquid crystal display. The final test, the system can achieve the tiny signal.Key Word：weak signal strong noise phase sensitive detection目录摘要： (1)1. 系统设计 (3)1.1设计要求 (3)1.1.1设计任务 (3)1.1.2技术指标 (3)1.2方案比较与选择 (4)1.2.1微弱信号检测模块方案比较 (4)1.2.2移相网络模块方案比较 (4)1.2.3电阻分压模块方案比较 (5)1.3方案论证 (5)2.单元电路设计及参数计算 (5)2.1加法器电路 (5)2.4带通滤波电路 (7)2.5相敏检波电路 (7)2.7低通滤波电路 (8)3. 软件设计 (9)3.1程序总体流程图 (9)3.2程序清单（见附录2） (9)4.系统测试 (9)4.1测试仪器 (9)4.2测试结果 (10)5. 结束语 (10)参考文献 (10)附录 (10)附录1 主要元器件清单 (10)附录2 程序清单 (11)1.系统设计1.1设计要求1.1.1设计任务设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。

微弱信号检测装置(实验报告)剖析

2012年TI杯四川省大学生电子设计竞赛微弱信号检测装置（A题）【本科组】微弱信号检测装置（A题）【本科组】摘要：本设计是在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，采用TI公司提供的LaunchPad MSP430G2553作为系统的数据采集芯片，实现微弱信号的检测并显示正弦信号的幅度值的功能。

电路分为加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路、以及数码管显示电路组成。

当所要检测到的微弱信号在强噪音环境下，系统同时接收到函数信号发生器产生的正弦信号模拟微弱信号和PC机音频播放器模拟的强噪声，送到音频放大器INA2134，让两个信号相加。

再通过由电位器与固定电阻构成的纯电阻分压网络使其衰减系数可调（100倍以上），将衰减后的微弱信号通过微弱信号检测电路，检测电路能实现高输入阻抗、放大、带通滤波以及小信号峰值检测，检测到的电压峰值模拟信号送到MSP430G2553内部的10位AD 转换处理后在数码管上显示出来。

本设计的优点在于超低功耗关键词：微弱信号MSP430G2553 INA2134一系统方案设计、比较与论证根据本设计的要求，要完成微弱正弦信号的检测并显示幅度值，输入阻抗达到1MΩ以上，通频带在500Hz~2KHz。

为实现此功能，本设计提出的方案如下图所示。

其中图1是系统设计总流程图，图2是微弱信号检测电路子流程图。

图1系统设计总流程图图2微弱信号检测电路子流程图1 加法器设计的选择方案一：采用通用的同相/反相加法器。

通用的加法器外接较多的电阻，运算繁琐复杂，并且不一定能达到带宽大于1MHz，所以放弃此种方案。

方案二：采用TI公司的提供的INA2134音频放大器。

音频放大器内部集成有电阻，可以直接利用，非常方便，并且带宽能够达到本设计要求，因此采用此方案。

2 纯电阻分压网络的方案论证方案一：由两个固定阻值的电阻按100:1的比例实现分压，通过仿真效果非常好，理论上可以实现，但是用于实际电路中不能达到预想的衰减系数。

微弱信号检测装置(A题)

TI杯电子设计大赛微弱信号检测装置（A题）【设计报告】本科组摘要微弱信号是相对于背景噪声而言的，其信号幅度的绝对值很小、信噪比很低的一类信号。

微弱信号检测是一门新兴的技术学科它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。

本系统为基于MSP430G2553的一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。

它能精确测量电压的频率范围500Hz～2KHz，电压范围20mV～2V。

以模拟电路为主，配合加法器模块、降压模块、放大模块、滤波模块、锁相环模块、移相电路、、模块、乘法器模块、有效值转换模块（AD637）、A/D转化模块、显示模块；通过MSP430单片机进行数据处理，在误差允许范围内通过NOKIA_5110显示测量的幅度值。

通过调试与测量检测电路具有高输入阻抗（输入阻抗≥1MΩ）；加法器的输出VC =VS+VN，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100；宽电压范围（200mV～2V）,高精度（电压测量误差±5%的优越性能。

可满足多方位的需要。

完成了题目的基本部分和全部发挥部分的要求并有自己的创新。

关键字：MSP430G2553单片机；高精度；微弱信号检测目录1系统方案 (1)1.1 有效值测量模块的论证与选择 (1)1.2显示模块的论证与选择 (1)1.3模拟乘法器的设计方案论证与选择 (2)2系统理论分析与计算 (2)2.1 有效值转换的分析 (2)2.1.1 AD637芯片简介 (2)2.1.2真有效值转换 (2)2.2 AD转换的计算 (3)2.3 保护电路自动切换的计算 (3)2.3.1 分档设置 (3)2.3.2 放大量程切换的计算 (3)2.4 滤波计算的分析 (3)3 系统电路与程序分析与计算 (4)3.1电路的设计 (4)3.1.1系统总体框图 (4)3.1.2 锁相环子系统框图与电路原理图 (4)3.1.3 有效值转换子系统框图与电路原理图 (5)3.1.4 保护与放大档位选择子系统框图与电路原理图 (6)3.1.5 移相电路模块 (7)3.2程序的设计 (7)3.2.1程序功能描述与设计思路 (7)3.2.2程序流程图 (7)4测试方案与测试结果 (10)4.1测试方案 (10)4.2 测试条件与仪器 (10)4.3 测试结果及分析 (10)4.3.1测试结果(数据) (10)4.3.2测试分析与结论 (10)附录1：部分源程序 (12)微弱信号检测装置（A题）1系统方案本系统主要由控制模块、显示模块、有效值测量模块、电源模块组成、锁相环模块、乘法器模块，下面分别论证这几个模块的选择。

2012年江苏省电子设计大赛A题微弱信号检测装置设计报告

2012年江苏省TI杯模拟电路设计竞赛论文参赛学校：三江学院参赛题目：微弱信号检测装置作者：李亮王尧王慧指导教师：徐伦龚秋英2012年8月本作品使用TI公司的OPA134运算放大器、INA2134PA音频差动放大器、OPA2228、IF353等芯片为主要控制器，辅以电源、MPS430系列单片机、LCD显示等电路，实现了设计并制作出一套微弱信号检测装置。

其中锁相放大器（lock －in. Amplifier 简称LIA）在此作品中就是检测淹没在噪声中的微弱信号，它可用于测量交流信号的幅度和相位，有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度，可测量毫微伏量级的微弱信号。

首先通过把噪声源放大，使之输出的均方根电压值满足要求；然后使用加法器将函数发生器产生的有用信号与放大之后的噪声源叠加成为一个信号。

之后通过纯电阻网络进行衰减，再通过锁相环放大电路进行检波滤波，最后通过单片机AD采集相敏检波得到的直流信号电压通过滤波算法从而得到准确的幅值信息并在12864上显示出。

关键词：微弱信号峰值检波锁相放大 MPS430一、系统整体方案设计 (1)1、赛题分析 (1)2、系统结构 (1)3、实现方法 (1)4、方案选择 (2)二、理论分析与计算 (3)1、理论分析 (3)基础部分 (3)2、关键电路分析 (3)1）有源带通滤波电路 (3)2)锁相放大电路 (4)三、电路设计 (6)1、电路机理 (6)1）噪声放大模块 (6)2）加法器模块 (6)3）纯电阻分压模块 (7)4）低通滤波模块 (7)5）跟随器模块 (8)2、各部分电路实现的功能 (8)1）OPA134音频放大 (8)2）INA2134PA加法器 (8)3）OPA134跟随器 (8)4）纯电阻分压网络 (9)5）带通滤波电路与锁相放大电路 (9)6）微弱信号检测电路 (9)四、程序设计 (9)1、软件功能结构 (9)2、主模块实现流程 (9)五、测试方案与测试结果 (9)1、测试仪器 (9)2、测试方案 (10)3、测试结果与分析 (10)六、设计总结 (11)1、存在的问题 (11)2、设想展望 (11)七、参考文献 (12)八、附件 (12)1一、系统整体方案设计1、赛题分析本作品的任务是设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值即峰值。

2012 TI杯山东电子设计大赛试题汇总

低功耗数字多功能表的设计制作（A题）【本科】一、任务设计并制作一款多功能数字测量仪表，其示意图如图1所示。

图1 低功耗数字多功能表系统示意图二、要求1. 基本要求（1）采用9V方电池供电。

自行设计保证该仪表正常工作的低功耗供电电源系统。

（2）三位半数字显示，最大读数1999。

（3）测量直流电压量程：0.2V、2V、20V；精度±(1%+2个字)；输入阻抗：≥10MΩ。

（4）测量交流电压量程：0.2V、2V、20V；精度±(1.5%+5个字)；频率范围：40Hz~400Hz；输入阻抗：≥10MΩ。

（5）测量电阻量程：200Ω、2kΩ、20kΩ；精度±(1%+5个字)。

（6）测量电容量程：100nF、100uF；精度±(5%+10个字)。

（7）晶体三极管β参数测试：测量类型 NPN或PNP，显示范围0~1000，精度±(2%+2个字)；测试条件：基极电流约10uA，V CE约3V。

2. 发挥部分（1）增加“自动关机”功能，即在测量模式下，若1分钟内无任何按键按下，仪表将自动关闭供电电源并进入低功耗状态；再按下任意键，仪表将自动返回“自动关机”前的状态。

（2）增加正弦波信号源功能：要求输出正弦波信号的频率为10Hz~100kHz，且可调；非线性失真≤3%。

（3）要求在负载为600Ω时，输出正弦波的最大值（有效值）≥5V；输出正弦波的幅值可调，调节范围100mV~5V。

（4）其他特色（例如：扩展其他功能、提高测量精度、减少失真等）三、说明1、不允许采用数字万用表专用A/D转换器或成品。

2、单片机建议采用MPS430单片机。

四、评分标准低功耗电波钟的设计制作（B题）【本科题】一、任务设计并制作一台低功耗电波钟。

二、要求1．基本要求（1）自行设计制作天线、选频放大，使其能接受中国码(BPC)电波授时数据、并输出包络。

（2）作品上电后尽可能快的完成授时信号的接受、处理。

电子设计竞赛预赛题 2012a

电子设计竞赛组委会2012年校电子设计竞赛预赛题1.基本要求以单片机、ARM、FPGA、DSP（任选一种或选择几种配合使用）为核心，结合相应的外部设备制作一个多功能电子综合系统。

2.指定题目（1）实时温度显示，显示分辨率和精度均不低于0.5摄氏度。

（2）测量并显示0-5V的直流电压，显示分辨率不低于0.1V。

（3）可循环记忆10组时间的秒表。

（4）实时时钟及显示（掉电后时间能准备运行1年以上，但无需显示）。

（5）计算器（至少完成两个8位数的+、-、×、÷运算）。

（6）可按键控制直流电机或直流减速电机的速度和方向，并可通过测速装置测量并显示当前电机速度。

可设定电机的匀速运转速度并能保持该速度匀速运转。

（7）测量并显示电压峰峰值为±0.5~±5V，1Hz-10KHz正弦波信号的周期和频率，显示精度不低于±5%。

（8）所有功能可通过按键进行控制，也可增加遥控控制功能。

（9）其他。

3.自选题目在符合基本要求的前提下，自行设计并制作一小型电子作品。

建议：（1）可参考往届全国大学生电子设计竞赛的题目，近五届的题目相对较难，初学者可参考第1-4届的全国大学生电子设计竞赛题目。

例如：控制类的可以制作小车、液体点滴控制器等，电源类的可以制作线性稳压电源等，高频类可做收、发射机，模电类可做功率放大器等。

（2）选手可将自己的创新想法（必须与电子制作相关）等制作成实物作品参赛。

4.说明（1）参赛选手必须在指定时间内完成作品和设计报告, 并准时参加验收和答辩。

（2）选做指定题目时可根据实际水平完成部分功能即可，若全部功能完成的还可自由发挥，增加更多的功能。

功能、性能、难度均是打分的重要指标。

（3）除核心外的所有电路模块必须用通用板自行焊接，不允许使用成品电路板模块。

参赛作品必须自制模块，即核心只允许使用核心板（不能包含键盘、显示、时钟芯片、AD/DA 芯片、各类传感器等）。

2012年全国大学生电子设计竞赛报告

2012全国大学生电子设计竞赛TI杯模拟电子系统设计专题邀请赛高效LED驱动电路（A题）摘要本文研究设计了一个高效LED驱动电路，驱动5只串联高亮LED，并且整体只有一个输入电压3.3V。

该装置采用TI公司的TPS61040作为DC-DC核心，并用MSP430FR5739控制，保证了整块系统的效率和低功耗。

关键词：LED驱动TPS61040 DC-DC MSP430FR5739 低功耗目录1系统方案 (3)1.1单片机供电选择 (3)1.2单片机显示模块的论证与选择 (3)2系统理论分析与计算 (4)2.1TPS61040电路分析 (4)3电路与程序设计 (4)3.1电路的设计 (4)3.1.1系统总体框图 (4)3.1.2恒流源电路原理图 (5)3.1.3恒压源电路原理图 (5)3.2程序的设计 (6)3.2.1程序功能描述与设计思路 (6)3.2.2程序流程图 (7)4测试方案与测试结果 (8)4.1测试方案 (8)4.2 测试条件与仪器 (8)4.3 测试结果及分析 (8)4.3.1测试结果(数据) (8)4.3.2测试分析与结论 (8)微弱信号检测装置（A题）1系统方案本题目要求整体电路必须采用 3.3V单路直流稳压电源供电，不得采用额外供电方式。

限定采用TI公司TPS61040作为DC-DC变换器核心芯片。

并且单片机限定使用SEED-EXP430F5529A、MSP-EXP430FR5739、MSP-EXP430G2LaunchPad三块开发板其中之一，开关S1断开后，电路由电容C供电。

控制LED驱动电路，在保证LED串上电流不小于0.5mA的前提下，尽可能延长对LED的供电时间。

考虑低功耗因素，故采用MSP430FR5739单片机控制，为了必要的显示功能，系统配备了128x64黑白液晶。

整体框图如图1所示。

图1 LED发光装置供电方式示意图1.1单片机供电选择方案一：直接采用外部3.3V输入供电方案二：采用一级DC-DC稳定到3.3V再给单片机供电如果直接采用外部3.3V输入供电，由于设计要求在断开S1后在保证LED串上电流不小于0.5mA的前提下，尽可能延长对LED的供电时间，并且要求单片机检测流过LED 串的电流，所以单片机需要一个稳定的参考，结合低功耗应该，应选择使用单片机内部2.0V参考源，则单片机供电电压必须高于2.2V，而TPS61040的工作电压最低可达1.8V，并且其工作效率较高，这对断开S1后尽可能延长对LED串的供电时间有很大帮助。

微弱信号检测

四川省大学生电子设计竞赛报告题目：微弱信号检测装置微弱信号检测装置【摘要】：为提取被噪声淹没的微弱信号，在分析了锁相放大器原理的基础上，采用基于AD630设计了一个双相位锁相放大器。

实现了正弦信号的检测和显示，由于时间紧迫，AD采样显示的数值误差较大。

【关键词】：锁相放大器正交信号 AD630 MAX7490一、方案设计与论证图1 微弱信号检测装置示意图1.1 微弱信号检测电路设计与方案微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。

常用的微弱信号检测方法有：匹配滤波、锁相放大、取样积分等。

方案1：匹配滤波法。

使用窄带滤波器，滤掉带宽噪声只让窄带信号通过；此方案电路简单，但是，由于一般滤波器的中心频率不稳定，不能满足更高的滤除噪声的要求。

方案2：单通道锁相放大法。

用AD630平衡调制解调芯片、移相器及低通滤波器构成锁相放大电路，基于信号的互相关原理，移相器输出的信号必须与被测信号同频同相，由于被测信号相位未知，需移相器逐步移相，实现较为复杂。

方案3：双通道锁相放大法。

用两个AD630平衡调制解调芯片、两个低通滤波器做成双通道锁相放大器，就是被测信号与两个相互正交的信号分别相乘经低通滤波器再送入AD进行采样，这样不需考虑被测信号的相位。

两路正交信号由74LS74构成的分频电路产生或由单片机产生。

由于只需要直流分量，低通滤波器的截止频率可以低到几百赫兹。

综合考虑，我们采用方案3。

1.2 加法电路的设计与方案加法电路要求正弦信号与噪声信号相加，并测量噪声的均方根值；因此加法电路的内部噪声越小越好。

方案1：普通加法器。

用低噪声放大器OPA2227做一个普通的加法器，但此电路接有电阻电容，会产生附加噪声。

方案2：高性能加法器。

用低噪声仪表放大器INA2134做一个高性能的加法器，有独立的共模抑制能力、增益误差、噪声和失真。

方案2虽然比方案1复杂，但引入的附加噪声比方案1小，因此选用方案2。

1.3 带通滤波器设计与方案题目中给了一个带宽很宽的强噪声，要想进可能地滤掉噪声，需一个窄带带通滤波器。

微弱信号检测装置

（二）纯电阻分压网络：
分压模块要求纯电阻分压网络的衰减系数不低于100，电路采用1k与120k电阻进行串联进行分压
模块原理图：
（三）微弱信号检测方案：
首先采用滤波电路对经过加法器出来的信号进行滤波，由于加法器把噪音与正弦信号相加在滤波电路要把正弦信号检出来，然后对正弦信号进行放大，使其幅度可以达到当输入正弦波信号VS的频率为1kHz、幅度峰峰值在200mV~ 2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%的要求，在对信号进行放大以后信号进入峰值检测电路，对电路进行幅度检测，然后由MSP430进行采样经过AD模块把最后的幅度值显示出来。
N Y
二．方案论证
（一）加法器模块方案：
用TI公司提供的OPA2134PA实现加法器模块，对提供的两个信号由信号发生器产生的正弦波和以给定的标准噪声进行相加，OPA2134pa是高性能专业双音频放大器，具有超低失真，低噪音等特点，其带宽为8MH，满足题目带宽大于1MHz的要求。
加法器模块原理图：
电路理论原理如下：
不加噪音时效果如下：
滤波电路如图所示
（四）AD误差测量及结果
向MCU输入可变直流电源，1602液晶模块显示出当前电压幅度值如下表
次数
输入电压（V）
显示幅度（V）
1
2.5
2.395
2
2.2
2.107
3
2.0
1.916
4
1.8
1.732
5
1.6
1.584
6
1.4
1.374
7
1.2
1.129
8
1.0
1.013
微弱信号检测装置设计报告
微弱信号检测装置（A题）

2012年天津市TI杯电子设计大赛题

TPS5433IDR（降压电源模块）
12V/220V 逆变电源(D1 题) 一、设计任务设计一个 12V/220V 逆变电源的电路。二、设计要求 1、基本要求用仿真软件对电路进行验证，其满足的要求如下所示：输入 12VDC； 1) 额定输出电压：Vo=220VAC； 2) 额定输出功率≥200W； 3) 输出有过压保护； 4) 5) 输入有过压保护和过热保护； 2、发挥部分
单相正弦波变频电源（ D2）一、任务设计并制作一个单相正弦波变频电源，输出电压有效值为 15～36V 可调，最大负载电流有效值为 1A，负载为电阻负载。变频电源框图如下图所示。
显示
二、要求 1.基本要求（1）输出频率范围为 20Hz～100Hz，且输出电压有效值为 15V～36V 可调的单相交流电；（2）输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；（3）当输入电压为 198V～242V，负载电流有效值为 0.5～1A 时，输出电压有效值应保持在 15V，误差的绝对值小于 5%；（4）具有过流保护(输出电流有效值达 1.5A 时动作)，保护时自动切断输入交流电源。 2.发挥部分（1）当输入电压为 198V～242V，负载电流有效值为 0.5～1A 时，输出电压有效值应保持在 15V，误差的绝对值小于 2%；（2）设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差的绝对值小于 5%；（3）其它。三、说明 1.不能使用产生 SPWM（正弦波脉宽调制）波形的专用芯片；
Байду номын сангаас
制作一个 12V/36V 逆变电源的实物，使其完成以下功能： 1) 输入 12VDC（可用汽车蓄电池提供）； 2) 额定输出电压：Vo=36VAC；额定输出功率≥30W； 3) 输出有过压保护； 4) 有输入过压保护和过热保护； 5) 三、说明 1．设计报告必须包括建模仿真结果，发挥部分可以选作。 2．因为有的竞赛题目不易进行建模仿真，参赛者可以针对两道不同题目分别进行建模仿真与实物制作，评分时，仿真结果与实物制作各自的得分相加，作为参赛者的最后总分。此时，只需要提交针对仿真结果的设计报告。

2012TI杯山东省电子设计大赛A题

A题低功耗数字多功能表摘要: 本设计以TI公司的MSP430F149单片机为核心控制单元，实现了对电压（包括交流和直流电压）、电阻值、电容值和三极管β值的精确测量。

本着低功耗的理念实现高精度的测量，并能产生10Hz~100kHz的正弦波信号源。

该设计主要由DDS信号发生器、恒流泵、AD637交流到有效值转换及MSP430F149单片机等模块组成。

通过电阻的分压原理测量电阻，通过运放对电压的放大与缩小实现不同量程电压的测量，根据三极管特性Ie =（1+β）Ib测量β值。

通过555定时器接成多谐振荡器，经过单片机计算振荡频率求出电容值。

正弦波信号发生采用集成芯片AD9850。

并采用低功耗段式液晶作为显示器，真正实现低功耗高精度测量电压、电阻、电容、三极管β参数、正弦波信号源的功能，很好的完成了题目基本与发挥部分的各项指标。

关键词：测试仪电阻电容电感MSP430 恒流源TI芯片：MSP430Abstract: This design with TI company's MSP430F149 MCU as the core control unit of the low power digital multi-function table, this design realize the voltage (including ac and dc voltage), resistance, capacitance and triode beta value measurement. Based on the concept of low power consumption to realize the low power consumption of high accuracy function and can produce 10 hz ~ 100 KHZ sine wave signal source. This design mainly by the DDS signal generator, constant flow pump, AD637 communicate to value conversion AD9850 and MSP430F149 MCU module, such as composition, the DDS signal generator and constant current source constitute a RC test design, will be resistance and capacitance value into voltage value for single chip microcomputer, through calculation and the element parameter, and USES the low power consumption of liquid crystal zone as a display, truly realize low powerconsumption measurement voltage, resistance, capacitance, triode β parameters, sine wave signal source function.Keywords：tester resistor capacity inductance MSP430 constant current source1. 方案论证1.1控制单元模块方案一：采用TI公司的超低功耗的MSP430单片机作为控制单元用于采集外部电路参数，数据处理计算得到相应参数后显示在段式液晶上。

2012年TI杯电子设计大赛A题

2012年TI杯电子设计大赛（A题）——微弱信号检测装置的设计本系统选用了MSP430G2553单片机，OPA2134双音频运放，INA2134差分运放，OPA2227低噪声高精度运放，OP07运算放大器，TL431稳压器件等6个TI器件。

摘要：本系统为一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。

正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。

噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。

当输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz、幅度峰峰值在200mV ~ 2V范围内时，，要求误差不超过5%。

采用以TI公司超低功耗单片机MSP430G2553为核心的Launchpad开发板来处理数据和驱动1602液晶屏显示正弦波信号的幅度值。

关键字：噪声，微弱信号检测，MSP430G2553.Abstract:Weak Signal Detection system is used to test the magnitude of a Sine with known frequency,in the context of heavy noise,and display the magnitude with SMC1602. The noise is produced by the .wav file,and SDG1025 provide the Sine wave.Changing the volume can control the magnitude of the noise.The error should be under 5% when the Vpp ranging from 200mV to 2V with the frequency of 1KHz.The system is based on the Launchpad,with the core of ultra-low power MSP430G2553(MCU).Then deal with the data and display the magnitude with SMC1602. Keyword:noise, Weak Signal Detection system, MSP430G2553.1.方案设计1.1理论分析（1）加法器电路分析：在加法器电路的前端，用OPA2134做两个缓冲器，对输入加法器的正弦信号和噪声信号进行一级缓冲，隔离信号源和加法电路。

2012TI电子设计大赛——微弱信号检测装置(A题).doc.

微弱信号检测装置四川理工学院刘鹏飞、梁天德、曾学明摘要：本设计以TI的Launch Pad为核心板，采用锁相放大技术设计并制作了一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率微弱正弦波信号的幅度值，并在液晶屏上数字显示出所测信号相应的幅度值。

实验结果显示其抗干扰能力强，测量精度高。

关键词：强噪声；微弱信号；锁相放大；Launch PadAbstract:This design is based on the Launch Pad of TI core board, using a lock-in amplifier technique designed and produced a weak signal detection device, to measure the known frequency sine wave signal amplitude values of the weak in the high noise background, and shows the measured signal amplitude of the corresponding value in the liquid crystal screen. Test results showed that it has high accuracy and strong anti-jamming capability.Keywords: weak signal detection; lock-in-amplifier; Launch Pad目录摘要： (I)Abstract: (II)1、引言 (1)2、方案论证 (1)3、理论分析与计算 (3)4、总体方案设计 (3)5、硬件设计 (4)5.1信号产生电路 (4)5.2前置放大电路 (5)5.3 带通滤波电路 (6)5.4 移相网络 (6)5.5 锁相放大电路 (7)5.6 低通滤波电路 (8)5.7 LaunchPad电路连接 (8)6、软件设计 (9)7、系统测试与结果分析 (10)7.1 测试仪器 (10)7.2 测试方案 (10)7.3 测试结果 (10)7.4 结果分析 (12)8、总结 (12)附录A 硬件实物图 (12)附录B 软件代码 (12)参考文献 (22)1、引言随着现代科学技术的发展，在科研与生产过程中人们越来越需要从复杂高强度的噪声中检测出有用的微弱信号，因此对微弱信号的检测成为当前科研的热点。

2012年“TI”杯湖南省大学生电子设计竞赛题C题

2012年湖南省大学生电子设计竞赛题C、自动增益控制放大器一、任务用运算放大器设计一个电压放大电路，其输入阻抗不小于100kΩ，输出阻抗不大于1kΩ，并能够根据输入信号幅值切换调整增益。

二、要求1.基本要求（1）放大器带宽不窄于0~100kHz；放大器具有0.2、0.5、2、5四档增益，并能够以数字方式切换增益；（2）测量并显示输入、输出信号幅度及当前放大器增益；（3）输入一个幅度为0.1~5V的可调直流信号时，要求放大器输出信号电压在 0.5~2V范围内，设计电路根据输入信号的情况自动调整到相应的最大增益。

2.提高要求（1）设计自动增益控制放大器，当输入直流信号幅度在0.1~5V变化时，放大器输出幅度控制在1V±0.2V；（2）当输入一个频率不超过100kHz、幅值范围为0.1~10V（Vpp）的交流信号时，要求放大器输出信号电压控制在1V±±0.2V（Vpp）的范围内；（3）其它创新发挥。

三、评分标准设计报告项目分数系统框架与设计思想 4 理论分析与计算 3 电路与程序设计 6 测试方法、测试结果及分析 4四、说明1.增益控制的基本方法。

在一定范围内，运算放大器增益主要取决于反馈电阻与输入端电阻的比值关系。

改变增益实质上主要就是改变反馈电阻的阻值。

改变反馈电阻的方法主要有以下几种： a ）采用继电器切换反馈电阻；b ）采用模拟开关切换电阻，但是需注意模拟开关有一定阻值的导通电阻；需要注意选择模拟开关的电源；c ）借用DAC （数模转换器）内部的电阻网络；d ）其他。

2.检测判断输入信号的方法。

因为限制了输出信号的幅度范围，因此必须根据输入信号的幅度来决定放大器的增益。

检测输入信号幅值有以下一些可能的方法：a ）对直流信号可以直接通过比较器检测其幅度；设计报告结构及规范性 3 小计20基本要求完成第（1）项15 完成第（2）项 15 完成第（3）项20 小计50发挥部分完成第（1）项20 完成第（2）项 20 完成第（3）项10 小计50 总分120b）对交流信号进行整流、平滑滤波处理，从所得到直流信号值，推算峰峰值；c）设计峰值检波电路，直接保持并输出信号的最大值；d）将输入信号经ADC转换成数字信号后，在FPGA中用数字信号处理的方法获取峰值。

微弱信号检测报告书

2012年四川省大学生电子设计TI杯竞赛设计报告制作题目：微弱信号检测装置（A题）作者：日期：本装置是基于超外差原理对微弱信号进行幅值检测，主要由PGA，低通滤波器，DDS，带通滤波器，高精度A/D，恒增益运算放大器，峰值检波，MSP430-Launchpad组成。

其中，由恒增益放大器与单片机进行第一次检测判断并控制PGA放大倍数，再将PGA产生信号与DDS信号进行混频，经带通滤波器后，由峰值检波检测峰值，交由A/D 检测，并由单片机显示结果。

关键词：超外差；微弱信号；幅值检测AbstractThis device detected the weak signal amplitude based on the superheterodyne principle.It is formed mainly of the PGA,low-pass filter,DDS,band-pass filter,high-precision A/D,fixed-gain operational amplifier peak detector and MSP430-Launchpad.During this prosession,the MCU and fixed-gain operational amplifier detected the signal amplitude at first and determine the magnification of PGA.Next,the signal witch is produced by the mixing of the signal which are formed of DDS and the output of PGA.And,the mixed signal whitch has been dealed byband-pass filter is detected by peak detector to got the number of the st,the MCU display the peak by the detection of A/D.Key words:Superheterodyne;weak signals;amplitude detection一．方案论证--------------------------------------------41.方案比较和选择信号提取方式---------------------------------------4A/D选取-------------------------------------------4信号峰值获取---------------------------------------5波形产生-------------------------------------------52.总体方案设计---------------------------------------5二．理论分析与计算--------------------------------------61.超外差电路设计-------------------------------------62.峰值检测设计---------------------------------------7三．电路设计混频电路-------------------------------------------7峰值检测电路---------------------------------------8滤波器电路-----------------------------------------8系统软件与流程框图---------------------------------8四．测试方案与测试结果----------------------------------10测试仪器-------------------------------------------10测试方案及数据记录---------------------------------10五．总结------------------------------------------------11六．参考文献--------------------------------------------11一．方案论证1.方案比较和选择（1）信号提取方式：方案一：采用锁相放大器原理。

2012年“TI”杯湖南省大学生电子设计竞赛题A题

2012年湖南省大学生电子设计竞赛题A、温度的测量与控制1、任务设计并制作一套能在30℃~80℃范围内实现温度测量和控制的电路系统。

系统中采用20Ω/30W的空心瓷管电阻（或水泥电阻）做为电热元件，用直流稳压电源（30V/2A）做为供电电源，用PT100做为温度传感器。

2、要求1. 基本要求（1）设计一个温度测量电路，其输出电压能随电热元件温度的变化而变化；记录温度在30℃~80℃范围内每变化5℃对应的模拟电压量（填写表1）；（2）以数字方式显示温度值；（3）先将电热元件稳定地控制在40℃（保持至少1分钟）；然后快速升温至60℃，并将温度稳定地控制在60℃（保持至少2分钟）；并分别用LED指示灯指示升温中、温度达到40℃和温度达到60℃。

2. 基本要求（1）可以将电热元件温度稳定地控制在30℃~80℃之间的任一指定温度值，温度值可以设定；尽量减短升温时间，减小温度起伏；（2）从40℃升温至60℃的时间可设置，并尽量保持保持匀速升温；（3）自由发挥。

表一：温度电压对照表温度℃电压V温度℃电压V设计报告项目分数系统框架与设计思想 4理论分析与计算 3电路与程序设计 6测试方法、测试结果及分析 4设计报告结构及规范性 3小计 20基本要求完成第（1）项 15完成第（2）项 15完成第（3）项 20小计 50发挥部分完成第（1）项 15完成第（2）项 25完成第（3）项 10小计 50总分120 3、评分标准4、说明1.以具有测温功能的万用表作为标准温度计。

2.竞赛和测试都使用学生配给的仪器设备。

3.竞赛系统和万用表的测温传感器可以贴近粘贴在电热元件上。

4.为缩短测试周期，正式测试前可用风扇等强制降温方法，将电热元件的温度保持在较低温度的状态；尽量在两个升温过程中完成所有参数的测试，可以两组交替测试。

全国大学生电子设计大赛比赛论文设计(获奖论文设计)

全国大学生电子设计竞赛2012年大学生电子设计TI杯竞赛论文设计报告题目：微弱信号检测装置（A题）学校：****指导老师： **** 参赛队员姓名： **** 日期： 2012年 8月8号目录1 方案论证与选择 (1)1.1 采样方法比较与选择 (1)1．1.1 加法器方案比较 (1)1.1.2 纯电阻分压网络 (1)1.1.3 微弱信号检测电路 (1)1.1.4 单片机模块的选择 (2)1.2 系统设计 (3)2 系统软件仿真及流程图 (4)2.1 加法器 (4)2.2 纯电阻分压网络 (5)2.3 带通滤波器 (5)2.4 移相电路 (5)2.5 相敏检波器 (6)2.6 低通滤波 (6)2.7 单片机显示与流程图 (7)3 硬件选择和计算 (8)3.1 加法器 (8)3.2 纯电阻分压网络 (10)3.3带通滤波器 (10)3.4移相电路 (11)3.5相敏检波器 (12)3.6低通滤波器 (13)4 系统调试 (14)4.1 测量仪器 (15)4.2 测量结果 (17)5 实验总结 (18)微弱信号检测装置设计报告成员：*** 院校：****摘要：本文介绍了利用锁相放大的方法进行微弱信号检测的电路设计方案。

本设计以带通滤波电路、移相电路、相敏检波电路、低通滤波电路实现锁相放大的功能；加法器和电阻分压网络为辅助电路； MSP430G2553单片机实现信号输出和显示功能。

系统主要由五个模块组成：信号发生模块、加法器模块、纯电阻分压网络、锁相环路模块和显示模块。

首先将正弦波信号源产生的有用信号和噪声源（MP3输出）产生的噪声信号通入加法器TL081中叠加。

将其输出的混合信号通入电阻分压网络实现衰减。

其次将信号通入高通滤波器和低通滤波器合成的带通滤波器，对信号进行功率放大，并滤除带外噪声。

将输出信号和同频同相的参考信号（产生的振荡信号确定频率后通入移相器得到）同时接入相敏检波器进行整流后加低通滤波器进行信号幅度值的提取。

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实验结果显示其抗干扰能力强，测量精度高。

微弱信号并不意味着信号幅度小，而是指被噪声淹没的信号，“微弱”也仅是相对于噪声而言的。

只有在有效抑制噪声的条件下有选择的放大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。

微弱信号检测技术的应用相当广泛，在生物医学、光学、电学、材料科学等相关领域显得愈发重要。

2、方案论证针对微弱信号的检测的方法有很多，比如滤波法、取样积分器、锁相放大器等。

下面就针对这几种方法做一简要说明。

方案一：滤波法。

在大部分的检测仪器中都要用到滤波方法对模拟信号进行一定的处理，例如隔离直流分量，改善信号波形，防止离散化时的波形混叠，克服噪声的不利影响，提高信噪比等。

常用的噪声滤波器有：带通、带阻、高通、低通等。

但是滤波方法检测信号不能用于信号频谱与噪声频谱重叠的情况，有其局限性。

虽然可以对滤波器的通频带进行调节，但其噪声抑制能力有限，同时其准确性与稳定性将大打折扣。

图2-1 常用的滤波器示意图方案二：取样积分器取样积分法是利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便呈现出待测信号的真实波形。

由于信号的取样是在多个周期内重复进行的，而噪声在多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的波形。

其系统原理图如图2-1所示。

图2-2 取样积分原理图带阻滤波器带通滤波器高通滤波器低通滤波器取样门脉冲产生与控制积分器 Vs(t)+Vn(t) Vr(t) Vo(t)一个取样积分器的核心组件式是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制RC 积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形做同步积累，并将累积的结果保持到下一次取样。

取样积分器通常有定点式和扫描式两种工作模式。

定点式是测量周期信号的某一瞬态平均值，经过m 次取样平均后，其幅值信噪比改善为nisi n s V V m V V ；扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可用于恢复与记录被测信号的波形，由于其采样过程受到门脉冲宽度的限制，只有在门宽范围内才能被取样。

方案三：锁相放大器锁相放大器也称为锁定放大器（Lock-In-Amplifier,LIA ）。

它主要作为一个极窄的带通滤波器的作用，而非一般的滤波器。

它的原理是基于信号与噪声之间相关特性之间的差异。

锁相放大器即是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同相位和同频率的被测信号。

锁定放大器可在比被测信号强100dB 的噪声干扰中检测出有用信号。

其原理框图如图2-3。

图2-3 锁相放大原理框图锁相放大器的核心部件是鉴相器，它实现了被测信号与参考信号的互相关运算。

它把输入信号与参考信号进行比较，当两个信号相位完全相同时，即相位差为0时，经低通滤波后，输出信号的直流分量达到最大，其正比于输入信号中某一特定频率（参考输入频率）的信号幅值。

锁相放大器具有很多优点：信号通过调制后交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检波器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声同频又同相的概率很小；利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做得很窄，并且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大提高。

但是值得注意的是适合于锁相放大器的检测信号应该是单频的，或者传导频谱所占频带是较窄的。

综合考虑，尤其根据是手头现有器件的情况，我们选择了利用锁相放大器作为本次的检测方案，并达到了预期的效果。

带通滤波鉴相器低通滤波器移相器本地振荡器 Vs(t)+Vn(t) Vo3、理论分析与计算设输入信号为：根据傅里叶变换，r(t)可用三角函数的形式表示为：r(t)与x(t)相乘后的结果为：上式第一项为差频项，第二项为和频项。

在通过低通滤波器（LPF）后，所有的和频项与差频项都被滤除。

最后滤波器的输出为：上式说明被测信号经过相敏检波器（PSD）和低通滤波器（LPF）后，输出正比于被测信号的幅度，同时正比于参考信号与被测信号的相位差的余弦函数，此时，输出最大，从而实现鉴相与鉴幅。

同时，有上式若测得输出电压可以反推得到输入电压的幅值：PSD信号的输出信号由于被测信号与参考信号之间的相位差而产生很大的变化。

受此影响，经过低通滤波器后的输出电压也会变化很大。

如图3-1所示:图3-1 相位差的影响通过图3-1，我们可以看到只有在相位差为时才能很好的检测被测信号的大小。

通常，我们在进行测量时需要通过相移网络把参考信号与被测信号之间的相位差调到再输入到PSD。

4、总体方案设计本设计系统框图如图4-1所示。

系统通过把正弦信号与噪声源通过加法器混合，通过电阻分压网络使噪声衰减到一定程度，模拟淹没在噪声中的有用信号，再通过前置放大电路对信号进行预放大，再通过带通滤波器选择设计所需的通频带，然后通过以AD630为核心器件的锁相放大器，输出电压经过低通滤波器之后得到一个直流电压输出，最后通过MSP430进行AD 采样、数据处理后送液晶显示。

在整个电路中放置了A~E 共5个测试点作为调试用。

4-1 系统框图5、硬件设计整个系统的电路顶层设计如图5-1所示：包含了电源模块、信号产生电路、前置放大与带通滤波、锁相放大模块、低通滤波器、单片机处理模块这些部分。

其中每个模块的电源引脚部分都加入了去耦电容，PCB 对电源线也进行了相应的覆铜处理，降低高频干扰。

其整体硬件实物图见附录A 。

图5-1 系统电路顶层设计5.1信号产生电路本电路模块旨在产生一个能够模拟实际中淹没在噪声中的微弱信号。

包含加Vi Vo E D Vc VnVsC BA 正弦波信号源噪声源加法器分压网络前置放大带通滤波AD 630 低通滤波 MSP430处理液晶显示移相网络法器与纯电阻分压网络两部分。

在实际电路中采用函数信号发生器产生频率为500Hz ~ 2kHz振幅为的200mV ~ 2V正弦信号Vs。

同时使用提供的音频信号作为噪声源Vn。

首先通过电压跟随器，再经过加法器实现信号的混合，芯片使用AD827来拓宽其频带到≥1 M Hz带宽，可调节音量使正弦信号完全淹没在噪声中。

经过混合后的信号再通过一个纯电阻分压电路把信号衰减大约100倍，得到输入信号Vi。

电路中取R5=R7=1k，R6=R8=100。

其电路原理图如图5-2所示，并在适当位置预留了测试端口。

图5-2 信号产生电路5.2前置放大电路该电路用于对信号进行预放大处理，使其输入到后级锁相放大器的信号有个适当的幅度。

其电路如图5-3所示。

采用TI公司的OPA2227这款低噪声、高精度的运放（后改用AD827）。

第一级放大倍数为11倍，第二级放大倍数为10倍，所以总共放大约110倍。

同时在输入端接入R10=2M，保证输入阻抗Ri≥1 M 的要求。

其电路连接如下图所示。

图5-3 前置放大电路5.3 带通滤波电路为满足设计要求，设计了一个带宽为500Hz ~ 2K Hz的带通滤波器，滤除所需频带外的噪声，降低了噪声对信号的干扰。

设计选用了二阶低通滤波器与二阶高通滤波器构成二阶带通滤波网络，由TI的滤波器设计软件FilterPro可以设计得到带通滤波器，其中R16=8.2k，R17=15k，C11=2nF，C12=1nF，R18=10k，R19=24k。

运放使用TI的OPA2227，其电路如图5-4所示。

图5-4 带通滤波电路5.4 移相网络该移相网络用于对参考信号进行移相，其原理是RC相移，通过跳线选择不同的接口，调整可变电阻来实现不同的相移。

通过使用一片OPA2227实现对参考信号进行的相移。

其中上方为0~900的相移，下方的模块实现90~1800相移。

必须在下方的移相模块中加入饱和电阻，否则频率过低时容易出现输出信号饱和。

其电路设计如图5-5所示。

图5-5 相移网络5.5 锁相放大电路锁相放大电路采用AD630芯片作为核心，其电路如图5-6所示。

AD630是一款高精度的平衡调制器，具有出色的精度与温度稳定性，非常低的通道串扰，高的共模抑制比和增益调节，同时还可以在外部加入反馈来实现所需增益与开关反馈布局，它可以从100dB噪声中恢复信号，频带宽度达到2MHz。

其信号处理应用包括：平衡调制与解调、同步检波、相位检测、正交检波、相敏检测、锁定放大以及方波乘法等。