2015年电子设计大赛微弱信号检测装置

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。
噪声源
Vn
B A 加 法 器 C 分 前 带 通 滤 波 移相 网络 AD 630 低 通 滤 波 液 晶 显 示 MSP430
Vc
压 网 络
Vi
D
置 放 大
Vo
E
正弦波信号源
处 理
Vs
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。
D
HEADER
2
2
1
PreProcessOut
HEADER
2
JP10
-12V
RefSig
1
2
A
G
N
D
1
RP3
0.1uF
C19
K
A
G
N
D
1
RP2
5.5 锁相放大电路
K
HEADER
2X2
JP11
1
3
1
0
9
8
7
6 4 3 2 1
5
AD630
U
A
SEL_A
SEL_B
-Vs
CS_B/A
C D D C RinA
其系统原理图如图 2-1 所示。
Vs(t)+Vn(t)
放大器
取样门
积分器
Vo(t)
Vr(t)
脉冲产生与控制
图 2-2 取样积分原理图
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
V
0.1uF
C20
5
6 4
8
+
-12V
1
2
OPA2227
U6B
1
R22
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。实际上锁相放大器与调制解调有些类似，只不过频率更低。 使用本芯片可以减少鉴相器与噪声方面的许多考虑， 大大减小开发难度与开发周 期。
4
8 +
-12V
1
2
1
R12
1
R11
V
5.2 前置放大电路
K
K
0.1uF
C
0.1uF
C
4 1
3
7
A
LF353
U1A
G
N
D
A
RefSig A
G
G
N
N
D
D
A
G
0.1uF
C10
3
2
N
D
G
N
D
4 +
8
-12V
1
R
1
3 HEADER 2
JP3
1
K 4
K
A
2
1
1 G
R13
2
0
V
N 1
C
1
C
D
3
R 0
K
3 3
8
0 7
PreProcessOut
+12V
AftProcessOut
A
A
A
A
AftProcessOut
3.3V
G
G
G
G
N
N
N
N
Signal_Noise
Signal_Noise
LOCK_OUT
D
D
D
LOCK_OUT
D
RefSig
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 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 MHz 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。
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。
3、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:
5
4
2
C
G
N
O O O H
O
D
A A A A
A
D D D +
D
J J J
J
1
R20
0
COMP
K
C
1
C22
C
C
u
Vout
Rinb
H
F
H
H
1
R23
+Vs
0
R B
R
R B A
K
b +
a
f -
A
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
G
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
N
5.1K
R21
1
RP5
D
0
2
RP4
+
K
0
1
K 3
2
2
图 5-5 相移网络
+ 1 2 V C13
A
G
N
0.1uF
D
R18
U4A
1
0
K
C11
2
8
OPA2227
C15
C16
6
U4B
7
2
n
F
1
R16
R17
3
5
1
0
0
n
F
1
0
0
n
F
8.2K
1
5
K
OPA2227
JP8
4
R19
2
4
1
C12
n
F
K
C14
A
G
N
A
G
N
D
-12V
0.1uF
D
A
G
N
D
A
G
N
图 5-4 带通滤波电路
5.4 移相网络
0
-12V F
u
u +
F 1
2
V
0.1uF
C
9
3
2
1
4
8 + -12V
A
1
-12V
G
+
1
2
N 2
OPA2227
U3A
V D
V
0.1uF
C
1
R
0.1uF
C
6
K 5
5
1
AD827
U2A
A
G
J
1
3
2
1
A N
A
A
G
G
G D
N
N
D
D
N
A
D
G
N
D
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
R14 A G N D 2 RP1 U3B 0 K A G N D A G N D
图 5-2 信号产生电路
1
R15
1
HEADER
2
JP4
K
k
2
1
1
R
K 6
1
R
0 7
0
5Βιβλιοθήκη Baidu
6
1
R
K 8
OPA2227
1
R
0 9
0
7
HEADER
2X2
JP5
3
1
A
G
4
2
N
D
HEADER
2
JP7
Signal_Noise
RefSig
D
N
G
D
c
HEADER
2
JP6
A
A
G
G
N
N
D
D
噪
JP2
正
JP1
1 3 声 弦 1 3 1
2
信
信
号
号
4
2
4
2
A
G
Signal_Noise 1 C
0 2
u
N F
D
A 1 C
G 1
0
u
N F
D
1
R
0 2 A
0 G K
N
D
1
R
0 1
A
A
0
K
G
G
N 3 6
N
5
2
2
R10
D
D
M LF353 U1B
微弱信号检测装置
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 Pad
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。
2
1
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。
Vs(t)+Vn(t)
放大器
带通滤波
鉴相器
低通滤波器
Vo
本地振荡器
移相器
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
Vs V m si ；扫 Vn Vni
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。
电源.SchDoc
1
+
1
2
-12V
V
+
5
-5V
V
A
G
N
D
2
3
4
5
加法电路+衰减网络.SchDoc
前置放大+带通滤波.SchDoc
锁
相
放
大
器
核
心
.
S
c
h
D
o
c
低
通
滤
波
滤
出
直
流
1
.
S
c
h
D
o
c
单
6
片
机
处
理
模
块
.
S
c
h
D
N
G
D
D
o
+3.3V
-12V
-12V
-12V
-12V
+12V
+12V
+12V
PreProcessOut
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。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。
低通滤波器
高通滤波器
带通滤波器
带阻滤波器
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。