微弱信号检测装置(实验报告)

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。

分析：电阻的标称值与实际值有一定的误差，因此考虑其他的方案。

方案二：由一个电位器和一个固定的电阻组成的分压网络，通过改变电位器的阻值就可以改变其衰减系数。

这样就可以避免衰减系数达不到或者更换元器件的情况，因此采用此方案。

3 微弱信号检测电路的方案论证
方案一：将纯电阻分压网络输出的电压通过反相比例放大电路。

放大后的信号通过中心频率为1kHz的带通滤波器滤除噪声。

再经过小信号峰值电路，检测出正弦信号的峰值。

将输出的电压信号送给单片机进行A/D转换。

此方案的电路结构相对简单。

但是，输入阻抗不能满足大于等于1MΩ的条件，并且被测信号的频率只能限定在1kHz，不能实现500Hz~2KHz 可变的被测信号的检测。

故根据题目的要求不采用此方案。

方案二：检测电路可以由电压跟随器、同相比例放大器、带通滤波电路以及小信号峰值检测电路组成。

电压跟随器可以提高输入阻抗，输入电阻可以达到1MΩ以上，满足设计所需；采用同相比例放大器是为了放大在分压网络所衰减的放大倍数；带通滤波器为了选择500Hz～2KHz的微弱信号；最后通过小信号峰值检测电路把正弦信号的幅度值检测出来。

这种方案满足本设计的要求切实可行，故采用此方案。

4 峰值数据采集芯片的方案论证
方案一：选用宏晶公司的STC89C52单片机作为。

优点在于价格便宜，但是对于本设计而言，必须外接AD才能实现，电路复杂。

方案二：采用TI 公司提供的MSP430G2553作为控制芯片。

由于MSP430G2553资源配置丰富，内部集成了10位AD ，可以直接使用，简化电路，程序实现简单。

此外还有低功耗，以及性价比高等优点，所以采用该方案。

5 显示电路的方案设计
方案一：采用液晶显示器作为显示电路，液晶显示器显示内容较丰富，可以显示字母数字。

但对于本设计而已，不需要显示字母，只需要显示数字。

性价比低，程序设计较为复杂。

方案二：利用数码管作为显示电路，性价比高，程序设计简单，易于实现。

两种显示模块设计相比较，数码管价格便宜，实现简单，所有选择方案二。

二 理论分析与计算 1纯电阻分压网络
纯电阻分压网络一个电位器和一个固定的电阻值串联起来实现分压。

将电位器的电阻值调整为100K Ω，固定电阻的阻值为1K Ω。

衰减系数为：221/)(R R R A +=,其中1R =100K Ω,2R =1K Ω，算出衰减系数值为A=101，可以满足设计要求。

若因为电阻偏差很大，使得衰减系数小于100，则可以通过调整电位器增大1R 的阻值。

2 微弱信号检测电路 （1）电压跟随器
选用OP2134作为电压跟随器，输入电压等于输出电压。

为了满足题目要求输入阻抗大于1MΩ以上，电压跟随器的输入阻抗值极高，可以达到此要求。

（2）同相比例放大电路
由于正弦信号和噪声信号一起叠加以后通过分压网络以后正弦信号峰值衰减到100倍，如果要检测到不失真理想无误差，必须再放大信号。

放大器也是采用OP2134，同相比例放大。

如右图所示，放大比例为：
f n o n R U U R U /)(/)0(-=- ， P f o U R R U ⨯+=)/1(
.)/1(i f o U R R U ⨯+=⇒
（3）带通滤波器 图3同相比例放大器
为了达到设计要求，要求检测出频率在500Hz ～2KHz 的信号，所以设计带通滤波器。

带通滤波器是由低通滤波器和高通滤波器串联构成，对于低通滤波器有上限截止频率即为带通滤波器的上限截止频率，对于高通滤波器有下限截止频率即为带通滤波器的下限截止频率。

在本设计中，采用单个集成运放OP2340构成压控电压源二阶带通滤波电路。

二阶带通滤波器电路如图（2.1）所示，电路的传输函数为：
⎪
⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+++
=
21
232132
1111
)1(1121
)(R R C R s A R R R C
s s
C
R A s A f f
u 2
2o
o
o
uo
s Q
s s
Q
A ωωω++
=
（2.1）
o ω=是带通滤波器的中心角频率。

1ω、2ω分别为带通滤波器的高、低截止角频率。

中心角频率：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=
21
2
3111
R R C R o ω 或)2/(10C R f ***=π （2.2）
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-++=
)1(1
1212130
f A R R R C Q
ω （2.3） 中心角频率o ω处的电压放大倍数： ⎥
⎦⎤⎢⎣⎡+-+=
32
111)1(11R A R R R A A f f
uo （2.4）
式（2.4）中，4
5
1R R A f +
= 图4带通滤波电路 通带带宽： 12ωω-=BW 或 12f f f -=∆
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-++=
=
)1(1
1212130
f A R R R C Q
BW ω （2.5） f
f BW
Q ∆=
=
ω 时）0(ω<<BW （2.6） 本设计要求设计的带通滤波器，指标要求为：滤出500H z ～2KHz 的信号频率，通频带
Hz Hz f 150050020000=-=∆；通带中心频率为Hz f 12505002)5002000(0=+÷-=。

假定下限截止频率为Hz f 5001=，上限截止频率为KHz f 22=，给定的电容的容量为200PF,由此可以算出所需要的电阻阻值。

为了方便起见，固定阻值的电阻换成阻值较大的电位器。

高通滤波下限截止频率求出所需电阻：)1020012/(161-⨯⨯⨯⨯=R f π 由计算得： =1R 1592356Ω
低通滤波上限截止频率求出所需电阻：)1020022/(162-⨯⨯⨯⨯=R f π 由计算得： 2R =398089Ω （4）小信号峰值检测电路
小信号峰值检测电路也是一个放大器与外围电路构成，完成对信号幅度值的检测。

三 电路设计与程序框图 1 主要电路设计
（1）加法电路与纯电阻分压网络
加法电路由INA2134与电容组成，正负5V 提供电源，电容起到滤除超高频信号。

纯电阻分压网络由一个0～200K Ω电位器和一个1K Ω固定阻值电阻组成，理论上电位器阻值≥99K Ω就可以实现分压系数100以上。

如图6、图7所示：
图6 加法器电路 图7 纯电阻分压网络 （2）电压跟随电路与放大电路
左半部分是跟随器，输入电压等于输出电压，但输入阻抗可以达到1M Ω以上。

右半部分由同相比例放大器与电阻电容组成，理想情况下是放大倍数与衰减系数相等，才能保证检测到不失真的微弱信号的峰值。

如图8所示：
图8电压跟随电路与放大电路
（3）带通滤波电路
带通滤波电路由音频放大器OPA2340加上外围的电阻电容组成，实现选频500H z～2KHz。

如图9所示：
图9 带通滤波电路
（4）小信号峰值检测电路
小信号峰值检测电路由一个放大器与外围电路组成，实现检测正弦信号峰值的检测。

如图10所示：
图10 小信号峰值检测电路
（5）数码管显示电路
????
2 程序流程图
从检测电路输出的电压幅度值经MSP430G2253进行A/D数据采集，将采集的峰值数据信
号通过处理，最终通过LED数码管显示。

程序的流程图如图11所示：
????
四性能指标
1 测试仪器
TDS 1002示波器、GPS-4303C函数信号发生器、数字交流毫伏表、数字式万用表
2 系统测试方法
3 测试性能概述
（1）基本要求部分
输入正弦信号频率为1KHz时,电压在200mV~2V之间变化，测得的数据如表1所示:
f1KHz电压200mV~2V测试结果
表1正弦信号频率=
（2）发挥部分
输入正弦信号频率固定为1500Hz时，电压在20mV~2V之间变化，测得的数据如表二所示:
f1500Hz，电压200mV~2V测试结果
表二正弦信号频率=
输入正弦信号的电压幅度值固定为1V，频率在500H z～2KHz之间变化，测得的数据如表三所示：
表二正弦信号电压V=1V，频率500H z～2KHz测试结果
4 可进一步改进的地方
五总结
参考文献:
[1]沈建华等著，MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践，北京：北京航空航天大学出版社，2010
[2]童诗白，华成英著，模拟电子技术基础，北京：高等教育出版社，2009
[3]冉莉，王民著，一种强噪声背景下微弱信号检测方法研究，信息技术，2012（2）。