2015年电子设计大赛微弱信号检测装置
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测装置是一种用于检测和测量微弱信号的仪器，广泛应用于科学研究和工程实践中。
本文将从设计原理、关键技术和应用场景三个方面对微弱信号检测装置进行浅析。
微弱信号检测装置的设计原理主要基于信号增强和噪声抑制两个方面。
对于微弱信号的增强，常用的方法包括放大、滤波和频谱分析等。
放大是通过放大器对信号进行增益放大，使信号的幅度变大，从而便于测量和分析。
滤波是通过滤波器对信号进行频率筛选，去除不需要的频率成分，提高信号的纯度和可测量性。
频谱分析是通过对信号进行频谱分解，将信号在频域上进行分析，找出信号中的频率成分和能量分布。
对于噪声的抑制，常用的方法包括降噪算法和滤波器设计等。
降噪算法通过对信号进行数字信号处理，去除噪声成分，提高信号与噪声之间的信噪比。
滤波器设计则是通过设计合适的滤波器，将噪声成分在一定频率范围内进行抑制。
微弱信号检测装置的关键技术主要包括低噪声设计、高精度采样和高精度测量。
低噪声设计是为了降低仪器自身的噪声水平，提高信号与噪声之间的信噪比。
其中包括采用低噪声器件和电路设计、提高系统的灵敏度和动态范围等。
高精度采样是为了保证对微弱信号的准确采样和测量。
其中包括提高采样器的采样率、增加采样深度和增加采样通道数等。
高精度测量是为了保证对微弱信号的准确测量和分析。
其中包括提高测量设备的精度、减小系统误差和提高数据处理算法的准确性等。
微弱信号检测装置的应用场景非常广泛，包括物理实验、天文观测、生物医学和无线通信等领域。
在物理实验中，微弱信号检测装置可以用于检测物质的微弱轰击、光子信号和微小振动等。
在天文观测中，微弱信号检测装置可以用于检测星际信号、宇宙背景辐射和射电天文信号等。
在生物医学中，微弱信号检测装置可以用于检测心电信号、脑电信号和生物分子信号等。
在无线通信中，微弱信号检测装置可以用于检测低功率信号、弱信号接收和频谱监测等。
微弱信号检测装置是一种重要的仪器设备，具有广泛的应用前景。
微弱信号检测装置
Vn2 Sn Kv2 ( f )df Sn Be Kv
0
（1）
其中 Kv=Vso/Vsi,于是可得到系统的 SNIR（信噪比改善）为：
2 2 2 SNIR (Vso / Vno ) / (Vsi2 / Vni ) Bn / Be
（2）
由上式可以看出，信噪比改善等于输入噪声带宽与系统噪声等效带宽之比。因此，减少 系统的噪声等效带宽可提高系统的输出信噪比。 对于信噪比小于 1 的被噪声淹没的信号， 只 要信号处理系统的噪声等效带宽做的很小，就可以将信号从噪声中提取出来。 对于 1/f 噪声，通过一个带宽为 B＝f2－f1 的窄带滤波器后，输出噪声的电压均方值为：
5. 设计总结
电子设计训练，培养了我们独立分析问题，解决问题的能力，也使我们感受做电子作品 时候的乐趣，也使我们对本专业的知识有更多的认知和理解。它不光培养了我们理论知识， 另一方面，也培养了我们学校的动手操作实践能力。经过平日的每一次课题训练，我们收益 非浅，充分感受到了团队之中队员的共同协作的重要性。但也发现了自己的一些不足，在今 后的学习过程中将更加努力，以适应社会和时代发展要求。
0
品质因数，满足不同输入信号频率的要求。而且开关电容滤波器在 Q 值较高时增益大，电路 中就不需要额外的放大电路。 虽然方案一电路实现较为方便，但实现高 Q 值需要多级滤波，且电路参数不易调节，难 以满足发挥部分的要求。 而开关电容滤波器可通过改变中心频率和 Q 值参数进行调节， 满足 不同频率输入信号的要求。所以本系统选用方案二，利用 MAX262 可编程开关电容滤波器实 现窄带滤波器电路。 1.3 检波电路的选取 方案一：采用普通的二极管检波电路，由于输入信号的幅值达 20mV，小信号无法通过 二极管，所以在输入信号中加一直流偏置电压，让二极管越过其截至区，从而实现小信号检 波。 方案二：采用精密整流电路，不需要考虑二极管的截止区，就可以实现小信号检波。 方案一由于小信号越过的截至区后， 二极管并非工作在线性区， 这会造成波形上下不对 称，从而影响峰值检测。同时二极管的温漂也比较严重，固不采用该方案。而对于方案二， 检波效果与二极管的截至区无关，检波效果较好。 1.4 系统总体方案 根据方案论证，本系统电路主要由三个模块组成，其中由 LaunchPad MSP430 单片机最 小系统及显示模块组成控制显示模块， 由加法器电路和纯电阻分压网络电路组成微弱信号源 模块，由有源带通滤波电路，窄带滤波电路和检波电路、信号调理电路组成微弱信号检测电 路模块。系统整体框图如图 1 所示。
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.
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 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 Pad1、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。
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。
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。
2015年全国大学生电子设计大赛F题技术报告
1.2 频率/周期测量模块的论证与选择
方案一：时间门限测量法，包括直接频率测量和直接周期测量。测频法即在一定的 时间门限 T 内，若测得输入信号的脉冲数为 N，则待测信号的频率
f
x
N / T ，通过改
变 T 即可改变所测频率范围，但此法在频率较低时误差较大；而测周法恰与测频相反， 即被测信号用来控制闸门电路的开关，标准时基信号作为计数脉冲。若时基信号的周期 为 T 0 ，则被测信号周期
fpga频率计等精度测量verilogiii目录目录11信号放大整形模块的论证与选择12频率周期测量模块的论证与选择13单片机控制及显示模块的论证与选择21前置放大整形电路的分析22各被测参数测量方法的分析221信号频率周期测量的分析222同频率方波时间间隔测量的分析223矩形波占空比的分析23提高仪器灵敏度措施的分析31电路的设计311系统总体框图312信号整形子系统框图313信号参数测量子系统框图314单片机控制及显示子系统框图315电源32程序的设计321程序功能描述与设计思路322程序流程图1041测试方案1042测试条件与仪器1143测试结果及分析11431测试结果数据11432测试分析与结论13附录1
III
数字频率计（F 题） 【本科组】 1 系统方案
本系统主要由如下三部分组成：信号整形、信号参数测量、单片机控制及显示。其中， 信号参数测量又可细分为频率/周期测量，时间间隔测量，占空比测量等模块，下面分别 论证这几个子系统的选择。
1.1 信号放大整形模块的论证与选择
方案一：采用分立元件实现前置放大整形功能，用两只三极管对信号放大后送入反 相器整形。设计电路详见附录图 6.1.1，通过仿真发现当被测信号幅度较小，频率较高 时所得到的波形品质较差，而频率超过 50MHz 时输出信号完全无法满足要求。另外，此 方案需要大量采用分立元件，系统设计复杂，调试困难，尤其是增益的定量调节很难， 而且，稳定性差，容易自激震荡也是该电路另外一个缺点。 方案二： AD811 同比例放大电路放大小信号， 大信号直接输入比较器， 由于 AD811 带 宽积太小放大高频信号的时候衰减严重。 方案三：AD8099 同相比例放大电路，迟滞比较器，输入输出阻抗匹配；这种电路放 大电路的输出信号杂波较多，放大器的输出信号波形较粗，适当调节迟滞比较器的门限 电压可以有效抑制杂波对后级比较器的影响， 这样输入信号为方波时信号的频率以及有 效值的范围都比题目要求宽，输入为正弦波时也能满足题目要求。 综合以上三种方案，选择方案三。
微弱信号检测装置
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）
微弱信号检测装置论文
2
辽宁省大学生电子设计竞赛论文
一、方案论证与比较
1、信号检测方案比较 方案一：滤波方法，构造以目标频率为中心频带的带通滤波器，只允 许目标频率的正弦信号通过。这种方法电路设计相对便捷，结果直观， 能直接将目标信号从混合中提取出来，缺点是电路稳定性较难控制， 对元器件精度要求较高（如电阻、电容值），且滤波器中心频率一经 确定，很难再依据信号的频率改变而改变，无法实现较宽频带范围内 的正弦信号提取。 方案二：采样积分和数字式平均方法，适用于周期信号处理，适合衰 减性较强的信号检测，缺点是耗时、效率低下，数据运算量较大，不 适宜单片机处理和实时显示。 方案三：锁相放大法，适用于已知目标信号频率的情况，能较为准确 地从强噪声混合信号中锁定目标信号。应用这种方法，采用模拟开关 CD4066 搭建相敏检波器，利用单片机发生于目标信号同频率的参考 方波，完全符合要求。
电路及其仿真特性曲线图如下：
图5
9
辽宁省大学生电子设计竞赛论文
图6 5、数据采集与显示电路 5.1 频差所导致滤波结果误差分析
由于本系统参考信号由单片机产生，受其晶振频率影响，无法 获得与目标信号完全一致频率的参考方波信号，经精密测量可知，单 片机所产生 1KH 的参考信号波形实际为 1000.04Hz，此时低通滤波器 输入端无法获得稳定的整流波形，而是随着时间推移不断相移的变周 期图像的，因而经过低通滤波的直流量也将随时间作周期变化，经仿 真并结合大量试验数据分析，下面给出输入信号为 2V，频率为 1000Hz 时利用本系统测量量计算的信号幅度值随时间变化的关系图线：
微弱信号检测装置
微弱信号检测装置（A题）宜宾学院税聪周孝辉彭启财摘要：本作品围绕锁相环CD4046和乘法器AD835为主体，经过加法器、纯电阻衰减网络以及微信号检测前级的放大，其中加法器用高性能的INA2134，微信号检测前级的放大采用TI 公司高输入阻抗的OPA2228。
配合滤波器、直流放大器。
最终把已经被噪声淹没的微信号提取出来。
最后经过AD1115采样，通过单片机控制最终实现微信号峰峰值的显示，其中单片机选用TI公司的单片机最小系统板—LAUNCHPAD G2533。
关键字：微信号、锁相环、AD835、滤波器摘要 ...............................................Error! Bookmark not defined.一、方案比较与论证 (41)1.增益控制部分 (41)2.后级放大电路 (41)二、理论分析与参数计算 (42)1.带宽增益积 (42)2.通频带内增益起伏控制 (42)3.线性相位 (42)4.抑制直流零点漂移 (42)5.放大器稳定性 (42)三、系统各模块电路的设计 (43)1.输入缓冲和增益控制部分 (43)2.后级驱动电路 (43)4.低通滤波部分 (44)5.控制部分 (44)四、软件设计 (44)五、测试方案与测试结果 (45)1.测试工具 (45)2.测试方法与数据 (45)（1）输入阻抗测试 (45)（2）幅频特性测试 (45)（3）最大有效值输出 (45)（4）输出噪声测试 (46)（5）增益步进测试 (46)（7）功能测试 (46)（8）误差分析 (46)六、总体结论 (47)七、附录 (47)1.失调电压调节电路 (47)2.程控放大电路 (47)3.控制部分框图..................................Error! Bookmark not defined.4.软件流程图....................................Error! Bookmark not defined.一、方案比较与论证经过仔细的论证和分析，我们确定本次设计的模块有信号的相加、滤波器、纯电阻衰减网络、微信号的检测、有效值的获得。
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测是许多科学领域和工程领域中的一个重要技术挑战，包括无线通信、雷达、医学诊断和科学研究等领域。
微弱信号检测装置是用来检测和测量微弱信号的设备，它需要具备高灵敏度、低噪声和高分辨率等特性。
本文将对微弱信号检测装置的设计原理和关键技术进行分析和探讨。
一、微弱信号检测装置的原理微弱信号检测装置的设计原理主要是利用信号放大和滤波技术来增强微弱信号的强度，并通过噪声抑制技术来提高信噪比。
一般来说，微弱信号检测装置包括前置放大器、滤波器、增益控制器和信号处理器等部件。
前置放大器是用来放大输入信号的强度，增加信号与噪声的差异，从而提高信噪比。
前置放大器的设计需要考虑到信号的频率范围、输入阻抗和放大倍数等参数。
滤波器则是用来去除输入信号中的杂散噪声和干扰信号，通常采用低通滤波器或带通滤波器来限制输入信号的频率范围。
增益控制器可以根据输入信号的强度来调节放大倍数，以避免过大的信号被过度放大而导致失真。
信号处理器则用来处理放大后的信号，包括采样、滤波、数字转换和数据分析等功能。
1. 低噪声放大器设计低噪声放大器是微弱信号检测装置中的关键部件，它需要具备高增益和低噪声的特性。
要设计一款低噪声放大器，需要考虑到放大器的噪声系数、输入电阻、输出阻抗和带宽等参数。
通常采用低噪声场效应管和双极晶体管来设计低噪声放大器，同时采用差分放大电路来提高信噪比。
还需要考虑到放大器的线性度和稳定性，以确保信号在放大过程中不会失真和漂移。
2. 信号滤波技术信号滤波技术是微弱信号检测装置中的另一个关键技术，它用来去除输入信号中的杂散噪声和干扰信号，从而提高信号的纯度和准确性。
通常采用主动滤波器和被动滤波器来设计信号滤波器，主动滤波器采用放大器和反馈网络来实现滤波功能，被动滤波器则采用电容和电感等元件来实现滤波功能。
还可以采用数字滤波器来进行数字信号处理，用于实现高精度和高分辨率的滤波效果。
3. 低功耗设计微弱信号检测装置通常需要长时间持续工作，因此需要考虑到功耗和热量的控制。
微弱信号检测装置的设计与总体报告
4
A2 1
R4 ， R 4 取 10K 的滑动变阻器，R 5 1K ，放大倍数最大可达 10 R5
倍。两级放大一共可达到 A1 A 2 100 倍。
XFG1 R1 7 10kΩ
AD637 有效值转换
图 3 锁相放大系统框图
综上所述，从抗噪声性能等角度综合考虑，我们选用方案三。
3
2. 理论分析与计算 2.1 纯电阻衰减网络
这里要求衰减网络的引入不影响前后级的匹配情况，所以我们不用简单的电 阻串联，而采用非对称 T 型电阻衰减网络。使用这种衰减网络的好处在于输入、 输出阻抗可以不一致。 纯电阻 T 型衰减网络如图 4 所示：
3. 主要电路设计 3.1 加法器
为了叠加噪声信号和有用的正弦信号，加法器的必须的。加法器实现的是线 性叠加，增益为 1，我们用运算放大器构成加法器电路就可以实现。同相加法器 输入阻抗高，使之能吸收的信号更强，加法器我们选用“TI”公司的高精度、低 噪声运放，如图 7 所示。
图 7 加法器电路
3.2 纯电阻衰减网络
微弱信号检测
正弦信号源
VS A
加法器
B VN
Vc C
纯电阻 分压网络
Vi D
放大电路 （两级放大 增益可调）
同向放大 （增益无穷大） 方 波 带通滤波器 500Hz~2KHz 窄带滤波器 1KHz AD630 自相关检测
噪声源
低通滤波器
E
Vo
液晶
MSP430G2335 Launch Pad
ADS1115 A/D转换
图 9 带通滤波器
7
3.5 移相器
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计
微弱信号检测装置是一种用于探测低信噪比信号的装置，广泛应用于无线通信、天文学、地球物理学、生物医学等领域。
其设计的关键是提高信号的检测灵敏度和降低噪声的干扰。
设计微弱信号检测装置应该选择合适的检测方法。
常用的方法包括锁相放大、功率谱分析、调频信号检测等。
根据实际需求选择适当的检测方法，能够提高信号的检测灵敏度。
提高信号的检测灵敏度需要降低噪声的干扰。
设计中应该采取一系列措施来减小噪声的影响。
使用低噪声放大器来放大信号，使用低噪声滤波器来滤除噪声，使用高品质的接收天线来增加信号的接收强度等。
信号的检测灵敏度还受到设备本身的性能限制。
在设计微弱信号检测装置时，需要优选器件和部件，以确保其具有良好的性能。
选择低噪声、高增益的放大器，选择高精度、低漂移的滤波器，选择高灵敏度、宽带宽的收发器等。
在设计过程中还应该考虑其他影响因素，如温度、电源稳定性、传输线匹配等。
这些因素可能会对信号的检测和测量结果产生影响，因此需要在设计中予以考虑，并采取相应的措施进行补偿或抑制。
微弱信号检测装置的设计需要综合考虑检测方法、噪声抑制、设备性能以及其他影响因素。
通过合理选择器件和部件、优化设计方案，能够提高微弱信号的检测灵敏度，从而实现对低信噪比信号的准确检测。
微弱信号检测装置(DOC)
微弱信号检测装置（B题）2014年520电子设计大赛参赛选手：朱志炜，周杨灿，朱杏伟指导老师：姜乃卓摘要：本微弱信号检测装置信号通道由OPA228为前置放大器，AD707和OP27为主放大器，将微弱小信号放大，然后经过后级的带通滤波器以及GIC滤波器对放大后信号进行滤波，进一步减小噪声的影响；参考通道以LM353为方波发生器，将正弦波化为同频率相位可调的方波，接以CD4046锁相环和D触发器，输出0-270°四个不同相位的方波；信号通道和参考通道的信号会在相关器器中相乘，并把得到的半波积分为直流电平，最终通过ICL7107接数码管显示电平值，并可以调为显示微小信号的值。
测试数据表明本设计具有非常高的准确度和极其强大的噪声抑制能力，工作性能稳定，成本低廉，控制方便，是一个优越而实用的设计方案。
关键字：微弱信号；相关检测；噪声抑制；锁相放大器目录一、设计目标1、基本要求2、发挥部分二、系统方案方案一方案二三、系统总体框图四、理论分析与计算1、前置放大器的噪声分析2、信号通道的增益计算3、相关器的理论分析及计算4、锁相环路的分析计算5、移相电路的分析计算五、电路设计1、信号通道设计2、参考通道设计3、相关器设计4、显示电路设计六、测试情况1、测试仪器2、衰减电路测试数据3、放大器测试数据4、带通滤波器及GIC滤波器测试结果七、总结八、参考文献一、设计目标设计一个微弱信号的检测装置1、基本要求：（1）设计和制作两个电压衰减器，要求衰减量分别为20dB和40dB。
要求：衰减器的输入阻抗为50，衰减器的输出阻抗为100。
衰减器的输入信号频率范围为100Hz-10KHz。
（2）实现对已知频率的微弱正弦输入信号幅度检测，要求：微弱正弦信号输入频率范围为100Hz-10KHz，幅度有效值范围为100uV-500uV，微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。
（3）检测的幅度有效值显示在数码管或者液晶显示屏上，要求显示精度达到小数点后面1位，显示时间不超过1分钟。
微弱信号检测装置(国科大电子电路大作业)
目录摘要 (1)Abstract (1)第一章绪论 (2)1.1 微弱信号检测技术概述 (2)1.2 信号检测的方法及微弱信号的特点 (2)1.2.1 常规小信号的检测方法 (2)1.2.2 微弱信号的检测方法 (4)1.2.3 微弱信号的特点 (4)1.3 本文的主要工作 (5)第二章微弱信号检测装置设计方案选择与论证 (6)2.1 方案选择与论证 (6)2.1.1 系统方案的确定 (6)2.1.2移相网络设计 (9)2.2总体方案论述 (9)第三章基于锁相放大的微弱信号检测装置设计 (10)3.1 锁相放大器原理 (10)3.2 移相网络 (10)3.3 相敏检波器原理分析 (11)3.4 电路设计 (12)3.4.1加法器 (12)3.4.2纯电阻分压网络 (12)3.4.3前级放大电路模块 (13)3.4.4带通滤波器 (13)3.4.5相敏检波器 (13)第四章仿真分析与程序设计 (16)4.1 仿真分析 (16)4.1.1 输入信号波形（前置两级放大电路输入波形） (16)4.1.2 经过前置放大电路和带通滤波器后输出波形 (16)4.1.3 参考信号输入输出波形 (17)4.1.4 LM311过零比较器输出波形 (18)4.1.5 开关乘法器输出波形 (18)4.1.6 低通滤波输出波形 (19)4.2 程序设计 (20)第五章实物展示与测试方案及结果 (21)5.1 实物展示 (21)5.2 测试方案与测试结果 (21)5.2.1 测试仪器 (21)5.2.2 测试方案 (21)5.3测试结果及分析 (23)5.4 总结 (23)微弱信号检测装置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。
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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
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
+ 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
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
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。
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
5
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
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。
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。
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
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
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。
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。