微弱信号检测的论文

2012年8月8日

摘要

本设计采用TI公司的AD630作为作为整个系统的核心，先通过一个反向加法器将输入的微弱信号和1v左右的强噪声结合，然后经过纯电阻网络衰减，再通过前置放大OPA2134负反馈运放，将加法后的混合信号放大接给微弱信号检测电路，再通过AD630检波和低通滤波电路，将噪声滤除，最后输出微弱信号，通过A/D模块将采样后信号传送给单片机，由单片机控制液晶的输出。OPA2134，OPA2227采用双电源供电，电压范围+2.5V~+18V之间，采用开关双电源+15V供电，单片机模块电路采用USB 5V供电，液晶电压有单片机供给。经测试，系统性能稳定，精度达到题目要求。

目录

一、系统方案 (1)

1.方案的比较与选择 (1)

1.1加法器方案 (1)

1.2纯电阻分压网络 (1)

1.3微弱信号检测电路 (1)

1.4显示电路方案 (2)

1.5总体思路 (2)

二、系统理论分析与计算 (3)

2.1加法器的分析 (3)

2.2衰减电路的分析 (3)

2.3前置放大分析 (3)

2.4微弱信号检测输入阻抗分析 (4)

三、电路与程序设计 (4)

3.1电路设计 (4)

3.2电源模块 (4)

3.3加法器模块 (5)

3.4衰减与前置放大模块 (5)

3.5 AD630锁相检测模块 (5)

3.6 滤波模块 (6)

3.7显示模块 (6)

四、测试方案与测试结果 (7)

4.1测试方案及测试条件 (7)

4.2测试结果完整性 (7)

4.3测试结果分析 (7)

五、总结展望 (7)

附录1：电路原理图 (8)

附录2：实物图 (8)

附录2：液晶调试程序 (9)

微弱信号检测电路（A题）

【本科组】

一、系统方案

1．1、加法器方案

加法器选用运放OPA2134的一个运放搭建反向放大器，有“虚短”、“虚断”，可实现两个模拟信号的叠加。

1.2纯电阻分压网络

纯电阻分压网络采用电阻分压，纯电阻衰减避免引入多余的噪声源，本设计采用2.4k与20V两电阻分压形式分压

1.3微弱信号检测电路

方案一：滤波法。滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。

方案二：锁相放大法。锁相放大是利用待测信号和参考信号的相互关检测原理来实现对信号的窄带化处理，能够有效的抑制噪声，实现对信号的检测方案三：取样积分法。取样积分法是近代物理实验室中测量噪声中微弱周期，重复信号的一种有力方法，通常我们可以设想用压缩带宽高低通滤波器的办法来达到此目的。

对以上三种方案进行比较，方案一在低频段时，RC滤波电路的输出波动很大，难以达到要求的相位精度，而方案二能够有效抑制噪声，符合要求。采用方案三由于数据过于繁琐，操作麻烦，且必须采集到众多的数据才能体现出此法的优越性。经过比较，锁相放大法更具有优越性，所以采用锁相放大法。

锁相放大电路图

微弱信号检测由三部分组成：前置放大、AD630整流模块，滤波电路组成。前置放大主要针对微弱信号的振幅不满足理想放大的输入信号尽可能大的条件进行的设计。

AD630锁相环放大模块具有极高的放大倍数，当有辅助前置放大器，增益可达101l(即220dB)，能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差，满刻度灵敏度达pV、nV甚至于pV量级。同时，采用的锁相放大滤波电路具有AD630用于锁相放大电路中，等效于两片运放和开关时乘法器集合在了一个芯片内，实现了高精度解调。

低通滤波电路由一个运放OPA2227组成，当微弱的信号从检波模块里出来，会带有高频的噪声信号，利用低通滤波器即可将低频的有用信号滤出来，除去高频部分的噪声。

1.4显示电路方案

方案一：采用八段数码管显示。由于要求显示设定值和测量值，需要显示的值比较多。采用LED 数码管需要用动态扫描，占用资源比较多。整个显示界面显得不太友好。

方案二：采用LCD1602A液晶显示器

1602A液晶显示器是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式LCD。它能显示16*2的字符，即可显示两行，每行16个字符。模块最佳工作电压5V，此时工作电流为2.0mA。1602A液晶显示器显示质量高，体积小，重量轻，功耗低。液晶显示是字符式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。本系统要显示的数据信息量大，要直观，出于系统要求，采用方案二1602A液晶显示器。

1.5、总体方案描述

（1）总体思路

通过一个反向加法器将输入的微弱信号和1v左右的强噪声结合，然后经过纯电阻网络衰减，再通过前置放大OPA2134负反馈运放，将加法后的混合信号放大接给微弱信号检测电路，再通过AD630检波和低通滤波电路，将噪声滤除，最后输出微弱信号，通过A/D模块将采样后信号传送给单片机，由单片机控制液晶的输出。OPA2134，OPA2227采用双电源供电，电压范围+2.5V~+18V之间，采用开关双电源+15V供电，单片机模块电路采用USB 5V供电，液晶电压有单片机供给。

（2）系统工作流程框图（如图1）

二、理论分析与计算

2.1加法器分析

如图：

设3端口输入为V1，四端口输入

为V2，输出为Vo，

由虚短虚断知：

V1/R1+V2/R2=Vo/Rf

取R1=R2=Rf=2k，则Vo=V1+V2，

则实现了加法器的功能

2.2衰减器的分析

设输入信号为Vo，输出为Vp经过简单的分压网络知

Vo*R4/(R3+R4)=Vp

取R3=2.4k,R4=0.02k