微弱信号检测装置设计

2012辽宁省电子设计竞赛设计报告微弱信号检测装置设计

摘要：

根据要求，我们设计了基于锁相放大的微弱信号检测装置。该装置能够对强噪声背景下的微弱信号进行有效的测量，拥有低输入信噪比、宽输入带宽、测量较准确等优点。

该装置由模拟信号叠加背景噪声的加法器模块、模拟信号衰减的纯电阻分压网络模块、基于锁相放大的微弱信号检测电路模块、基于MSP430的幅值检测显示模块共同组成。

其中加法器由OPA2134搭建，符合题目要求的输出及带宽；分压网络由纯电阻搭建，简单快捷，性价比较高；设备的核心锁相放大器由OPA2134搭建的前置放大器、前置滤波器、低通滤波器、移相器，OP07与4052组成的开关型相敏检测器，OPA2340搭建的比较器构成，完成了强噪声背景下的小信号相干检测，准确且稳定；幅值检测显示模块利用高性能MSP430单片机内置的高精度AD转换器进行采样并经12864显示，美观大方。

关键词：

微弱信号检测；锁相放大器；开关型相敏检测器；MSP430单片机

目录

一．方案选择与论证 (3)

1.1方案选择与论证 (3)

1.2 总体设计思想 (3)

二．理论分析与计算 (5)

2.1加法器单元电路设计 (5)

2.2纯电阻单元电路设计 (5)

2.3锁相放大器电路设计 (6)

1.前置放大与滤波器电路设计 (6)

2.相敏检测（鉴相器）电路设计 (7)

3.参考信号电路设计 (8)

4.低通滤波器 (9)

2.4 MSP430采样与显示 (10)

三．实物展示 (12)

四．测试方案与测试结果 (13)

4.1 检测仪器 (13)

4.2 检测方法与结果 (13)

结论 (15)

参考文献 (16)

附录 (17)

一．方案选择与论证

1.1方案选择与论证

从本题要求整体分析可知，设计的微弱信号检测装置的核心在微弱信号检测电路，因此方案的选择与论证重点考虑该部分电路：

方案1：

带通滤波：滤波器广泛应用于现代信号处理的各个领域，如调制解调、检测处理等等，滤波器包括低通、高通、带通、带阻。其中带通滤波器适合于本题的小信号检测。但是鉴于本题的极低信噪比，故要求滤波器拥有极高的Q值，那是不可能实现的，故放弃此方案。

方案2：

集成模拟乘法器：利用锁相放大的原理对强噪声背景下的小信号进行相干检测，能够实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。锁相放大器的核心器件是相位敏感期器，利用模拟乘法器如MC1496实现鉴相，调试复杂，价格较高，且动态范围小，线性度较差，故放弃。

方案3：

开关式乘法器：采用方案2的对小信号的检测原理，即利用锁相放大器对强噪声背景下的小信号进行相干检测。但是其核心器件相位敏感期器由开关式乘法器搭建，具有价格低廉，基本无需调试等优点，是一种较为实用的相敏检波器。方案选定：

综上，本设计采用方案3，即采用以开关式乘法器为核心的锁相放大器搭建微弱信号检测电路，对本题中的微弱信号进行检测。

1.2总体设计思路及框图

总体设计思路：

首先正弦波信号源产生的信号与噪声源经OPA2134搭建的加法器相加，保证了输出精度及要求的1MHz带宽；之后经过纯电阻分压网络衰减100倍，进入微弱信号检测电路；微弱信号检测电路包括前置放大器，前置滤波器，鉴相器，低通滤波器以及由移相器和比较器构成的参考通道，由OPA2134、OPA2340、LF317、OP07、4052等芯片具体实现；最后的检测及显示电路由MSP430的内置AD及12864

液晶共同实现。

总体设计框图：

微弱信号检测系统框图

锁相放大器框图

二． 理论分析与计算

2.1 加法器单元电路设计

同向加法器

根据题目要求加法器的输出U0 =Ui1+Ui2 ，Ui1为正弦波信号，Ui2为噪声源信号，由同相加法器的输出公式：

o f

U R R R U ⋅+=2

22

1112121i i U R R R U R R R U ⋅++⋅+= 解得令,21U U = )(22

111212i i f

o U R R R U R R R R R R U ⋅++⋅++= 2121,i i o f U U U R R R R +====有时当

经过测试得R1=R2=R3=R4=10K.为满足题目要求带宽大于1MHz,于是选择运放OPA2134，其有效带宽可达8MHz 。

2.2 纯电阻单元电路设计

衰减网络

纯电阻分压网络衰减系数A 不低于100，A= (R1+R2) /R2。测试后电阻R1= 200K,R2=2K ，A=101 2.3 锁相放大器电路设计

锁相放大器是以相干检测技术为基础，利用参考信号频率与输入输入信号频率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声中提取出有用信号，使得测量精度大大提高。锁相放大器设计分成四个模块：前置放大与低通滤波、相敏检测器（鉴相器）、参考通道（移相器与比较器）、低通滤波器。

2.3.1前置放大和滤波器

前置滤波器、放大器

通过巴特沃斯低通滤波器的两级放大使增益达到100倍，放大倍数分别都为10倍，（即取K=10）；低通滤波的截止频率fc ≥2k,由巴特沃斯低通滤波器公式：

K=1+R4/R3

c c f C C R R πω212121==

第一级： 取标准值为C1=10nF ，C2=1.01nF ，R1=84.87K ，R2=7.35K ，R3=2.5K,