A题实验报告.docx
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A题实验报告
题目名称：
微弱信号检测装置（A题）
参赛队员：
计一飞喻京昊章勤杰
指导老师：
刘明
学校：
南京理工大学
编号：
025106
微弱信号检测装置
摘要：
本作品主要由简易锁相放大器和单片机测量显示两个模块构成。
电路分为电源电路、加法电路、纯电阻分压电路、以及由低直流偏移乘法电路（相敏检波器）、低通滤波器、反相比例放大器构成的微弱信号检测装置（锁相放大器）。
相敏检波器是整个电路的核心器件，实现了被测信号与参考信号的相关运算，它加上低通滤波器就组成了微弱信号检测仪器。
测量显示采用TI公司的msp430F149单片机实现显示功能，本仪器可以实现对信号幅度的测量。
关键字：
锁相放大器，乘法器AD834，低通滤波器，msp430F149单片机
一、系统方案设计与论证
（一）、系统结构图：
（二）、方案论证
由题意仔细分析可得系统包括电源模块、加法器、纯电阻分压电路、乘法电路、低通滤波电路、普通放大电路、测量显示模块。
1、加法电路方案的论证与选择
方案一：
采用TI公司的低噪声、高速、高精密运放OP37构成同相求和运算电路，并使电压倍数不变即电压跟随，最终实现正弦信号源与噪声信号的叠加。
该电路中运放OP37具有增益稳定，抗干扰性能强的优点，满足题目中要求的精度要求。
方案二：
采用高增益运放UA741构成同相求和运算电路，但是UA741无法满足精度，可能会产生噪声。
所以之后电路中所涉及的集成运放均采用OP37，所以我们采用该方案。
2、纯电阻分压电路方案的论证
直接采用1K与100K两个纯电阻串联，取两电阻连接点电压，使纯电阻分压网络的衰减系数达到110倍，达到目标倍数。
3、信号放大电路方案的论证
方案一：
采用OP37集成运放构成反相比例运算电路，该电路是典型的电压并联负反馈电路，放大倍数100。
该放大电路是整个微弱信号检测电路（锁相放大电路）的第一级，由于输入阻抗越大，电路对信号的衰减越小，运放的同相输入端应该并联一个大于1M的电阻以满足题中微弱信号检测电路的输入阻抗大于1M，从而使信号的衰减达到一个较小的程度。
方案二：
采用AD620构成放大器，AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部增益电阻来设置增益，具有体积小，功耗低、精度高等优点，其增益方程式为 G=49.4kΩ/R+1。
方案一、二在整个系统中均有应用，方案一应用于检波检测装置的第一级，而方案二用于检波检测装置的最后端，用于放大滤波之后的直流电压，从而减少测量误差。
5、移相电路方案的论证与选择
方案一：
直接采用一级RC移相器，参考信号经过此移相器可以通过调节电阻R的阻值移相0~90度，从而达到移相的效果。
但是该移相器带负载能力弱，移相角度会随着负载的变化而变化。
方案二：
采用一级RC移相器与电压跟随器串联，同方案一，只是通过电压跟随器大大提高了带负载能力，但是通过调节R阻值而达到移0~90度的相位，实际情况下，所以角度最大接近90度而无法达到。
方案三：
采用二级RC串联移相器与电压跟随器串联，既达到了移相角度要求，又提高了带负载能力，所以我们采用方案三。
6、电压跟随器方案的论证
方案一：
因为在同相比例运算电路中，若将输出电压的全部反馈到反相输入端，就构成了电压跟随器。
理想运放的开环差模增益无穷大，而且运放的输入阻抗一般都在M量级，因而电压跟随器具有比射级输出器好得多的跟随特性。
方案二：
采用基本共集放大电路构成射级输出器，该电路有较好的电压跟随特性。
但是相比于方案一，无论在性能上，还是集成制作上，都显示了其弱势。
所以我们采用方案一。
7、乘法电路方案的论证
乘法器是一种使用广泛的非线性电路，能够实现两路信号相乘的功能。
乘法电路采用美国ADI公司推出的一种宽频宽、四象限、高性能的模拟乘法器AD834，它具有工作稳定，计算误差小，并具有低失真和微功耗的特点。
在X和Y端口输入的电压，经过高速V—I转换后变为差分电流信号（转换电阻约为280Q），目的是降低噪声和漂移。
但这种情况在输入电压变低时会导致转换线性度变差，因此在内部设计有X、Y失真校正，经校正后的电流信号进入到乘法器运算单元，实现信号的相乘，该信号经过电流放大器得到放大后，以集电极开路的差分电流形式输出，即W1和W2。
当输入信号为V时，输出电流为mA。
输入端的电压为：
X=Xl—X2，Y=Y1一Y2输入和输出之间的传递函数为：
W=4XY/（1V）2mA
8、电流转电压电路方案的论证
电流信号转换成电压信号，最基本的方法就根据欧姆定律，电流流过电阻时会有电势压产生，而且有线性关系，其次用电流信号施加在运算放大器的输入端，其输出就是电压信号。
其原理是利用运算放大器的大倍率的放大效果。
9、低通滤波电路方案的论证与选择
采用基本RC滤波电路，在确定电容的情况下，尽量使用大的电阻。
我们采用270K的电阻、0.1uF的电容，从而使该低通滤波电路的上限截止频率较低，带来较好的滤波效果。
而且该电路简单易集成，抗干扰能力也比较强，具有优良的性能。
2、理论分析与计算
1、带宽计算与分析
（1）在加法电路中，采用OP37运算放大器，其带宽在几兆赫兹左右，这个指标远远达到了带宽>1MHz的要求。
（2）在微弱信号检测装置中，第一级为OP37构成的放大电路，带宽为几兆；第二级为乘法电路，由于该电路使用的是AD834芯片作为乘法器，其带宽可达到800MHz，第三级为纯电阻与OP37构成的电流电压转换电路，带宽也在MHz量级。
根据公式Auf=1/（2*（1/fop37）2+（1/fad834）2）1/2，其中fop37=6MHz，fad834=800MHz。
各级之间通过小电容1uF与220uf的大电容并联，使信号损失减小，提高实验精度。
（3）在低通滤波电路中，采用270K的电阻R与0.1uF电容C构成基本RC低通滤波电路，通过公式fH=1/（2πRC）=0.589Hz，这个上限截止频率很小，使滤波输出电压近乎直流，而这个值越小，滤波的效果越好，最后的直流电压稳定程度越好。
2、输入阻抗计算与分析
根据题目要求微弱信号检测装置的输入阻抗>1M，输入阻抗越大，对信号的衰弱程度也越小，我们采用让该装置第一级放大电路的运放与一个1.1M的大电阻并联，很好的满足了题目要求。
3、带负载能力分析
使用运放构成的电压跟随器提高了带负载能力。
4、放大器稳定性分析
放大器在工作时会出现自激，外部干扰等，影响放大器稳定的工作。
当放大器深度负反馈时输出信号带有一定的纹波。
为抑制干扰在放大器电源两端并接一个0.1uF的瓷片电容可以消除输出信号的干扰。
对系统的焊接布局，进行认真合理的分析，尽量避免焊接点之间形成90度角，焊接成45度角，严格区分各接地端的连接位置，避开输入输出端的连接位置，避免系统引起自激振荡。
可以大大降低信号的干扰以达到精度要求。
5、抑制零点漂移分析
零点漂移是指当放大电路输入信号为零时，由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动。
所以各级之间必须采用直接耦合的方式来抑制零点漂移。
3、电路设计
1、加法电路：
同相求和运算电路将信号源与噪声信号叠加，采用两个1K电阻并联与100K的电阻串联，使求和之后幅度系数约等于1，设计如下左图一。
图一
图二
2、纯电阻电路：
直接采用1K与100K两个纯电阻串联，取两电阻连接点电压，使纯电阻分压网络的衰减系数达到110倍。
如上右图二。
3、电压跟随器：
采用OP37构成的电压跟随器，提高带负载能力。
如图三。
图四
图三
4、叠加信号放大电路：
反相比例运算电路，令R14=100K，R13=1K，其放大倍数为Au=1+R14/R13=101，同相并联1.1M电阻是输入阻抗大于1M。
如上右图四。
5、乘法电路与电压电流转换电路：
采用AD834构成乘法器，其X2、Y1输入端前接1uF与220uF的并联电容，确保低频、稍高频部分均能通过。
乘法器输出端输出为4*XYmA电流，通过OP37构成的电流转电压电路使之转换为电压。
设计如下左图五。
图六
图七
图五
滤波电路：
在低通滤波电路中，采用270K的电阻R与0.1uF电容C构成基本RC低通滤波电路，fH=1/（2πRC）=0.589Hz。
如上中图六。
直流信号放大：
采用AD620构成放大器，其增益方程式为 G=49.4kΩ/R+1。
电路中R=3.3K，则G=16。
如上右图七。
4、程序设计
在此系统中，软件部分主要由MSP430F149单片机完成，AD采样使用MSP430内置的12位AD转换模块，显示系统是用的是1602液晶显示屏。
通过AD采样得到电压的幅值，使用液晶屏将值显示出来。
采样值多次取平均，通过液晶屏显示
设置AD参数，
打开AD采样
开始
关闭看门狗
采样时AD12使用单通道多次采样，为了确保采样精度，采样数值取64个采样值的平均。
由于测量时200MV--2V和20MV—200MV的电路参数有所区别，所以为了区分不同的两段，在单片机测量中使用了跳线的方式，通过判断I/O口输入的电压的高低，来判断使用何种参数。
该功能的主程序见附录。
5、测试方案
1、所用测试仪器：
双路可调直流稳压电源、双通道数字示波器、数字函数信号发生器、4位半以上万用表。
2、测量方法：
采用直接测量的方法。
通过直接测量芯片各个管脚的电压是否符合理论值，观察各个连接点（如A、B、C、D、E）的信号波形，通过示波器观察其频率、幅度等重要参数。
6、测试结果
基本要求
使用频率为1kHz、幅度峰峰值在200mV~2V范围内的正弦信号源VS，噪声源输出VN的峰峰值大约在1.45左右使之均方根电压值固定为1V0.1V。
1、基本要求的检测：
噪声源信号信号波形（B）---图B
正弦信号波形（A）---图A
A、B点信号的显示分别如上图A、B，观察测量得出信号源峰峰值2V，频率为1KHz，噪声源信号可以满足题意要求。
叠加波形（C）---图C
进入微弱信号检测装置信号（D）---图D
C点为A、B点信号叠加之后的波形，如上左图C为带较大毛刺的正弦形信号。
D点为C点信号通过纯电阻分压网络后的信号波形，如图可知，信号波形的幅度是图C波形幅度的1/100以上，满足基础部分要求纯电阻分压网络的衰减系数不低于100的要求。
如上右图D。
E点为Ｄ点信号通过相敏检波器、低通滤波器（锁相放大器）之后的信号，如图为幅度值约为１.５Ｖ的近直流信号，如图毛刺已明显看不见，说明经过低通滤波器之后，交流信号基本被滤除。
如下右图Ｅ。
如图Ｆ为单片机显示测量部分，直接显示了正弦信号的峰峰值２.０６１Ｖ。
单片机显示测量（Ｆ）---图Ｆ
输出波形（Ｅ）---图Ｅ
改变正弦信号源峰峰值到１Ｖ，频率不变，各点波形或者测量显示依次如下图，A、C、D、E、单片机显示，图B如上不变。
改变正弦信号源峰峰值到200mV，频率不变，各点波形或者测量显示依次如下图，A、C、D、E、单片机显示，图B如上不变。
按照上图过程测得多组数据，数据对应下表格：
（频率1KHz）
正弦信号峰峰值Y（V）
E点直流电压X1（V）
X=[X1-X1（0）]1/2
0
0.140
0
0.2
0.160
0.141
0.4
0.200
0.245
0.6
0.262
0.349
0.8
0.355
0.464
1
0.562
0.562
1.25
0.709
0.709
1.5
0.851
0.851
1.75
1.014
1.014
2
1.444
1.142
观察X1，Y的各组值，发现X1（0）为基底电压，若将X1-X1（0）作为一个整体，其开方X与Y值可以大致看做是成正比关系。
现通过Matlab进行数据拟合得到X与Y的关系为Y=1.7696X-0.0192，-0.0192在定性的时候基本可以忽略，所以X、Y具有较好的线性正比关系，程序及拟合曲线如下：
y=[00.20.40.60.811.251.51.752];
x=[00.1410.2450.3490.4640.5620.7090.8511.0141.142];
A=polyfit（x,y,1）
z=polyval（A,x）;
plot（x,y,'k+',x,z,'r'）
误差分析：
经过拟合的曲线与实际符合的非常好，经计算每组值误差范围不超过3%，满足题目中所要求的误差精度。
发挥部分
在实验中，控制信号源峰峰值不变，改变信号源正弦波频率，最终输出E点直流信号幅度、单片机显示基本不变，所以已经达到题目中的频率要求。
现取正弦波频率1KHz，改变幅度（20mV~200mV），同上过程得到以下数据：
正弦信号峰峰值Y（V）
E点直流电压X1（V）
X=[X1-X1（0）]1/2
0
1.30
0
0.05
1.37
0.260
0.10
1.39
0.307
0.15
1.43
0.361
0.20
1.47
0.416
同样通过Matlab得到关系式Y=0.9566X-0.1964，拟合图像如下，程序同上略写。
拟合误差能在在2%以内，满足了发挥部分第二个要求。
7、总结展望
1、总结
整个过程，三个队员各自明确分工，充分体现了团队的合作精神，锻炼了我们的动手能力，学到了很多知识。
在学习操作中，我们遇到了很多困难，我们会努力去寻找突破口，当然感谢我们的指导老师，他给予了我们极大的鼓励和帮助。
2、展望
由于时间、制作难度上的限制，我们本需要移相器，但是先前设计的二级RC（后跟电压跟随器）移相器可移相，但是改变了信号的幅度给我们的测量带来极大的误差，后来我们思考到是否可以有这么一种只移相，不改变幅度的移相器，需要我们进一步的深入。
其次由于仪器精度无法达到发挥部分（3）的要求，所以这部分需要最后展示的时候仪器（特别是信号发生器、示波器）更加精密。
参考文献
1、TI数据转换器应用手册——基础知识篇黄争编译；
2、TI运算放大器应用手册——基础知识篇黄争李琰编译；
3、现代模拟电路实验/唐洪斌编著.—南京：
南京大学出版社，2009.1；
4、模拟电子技术基础/童诗白，华成英主编；清华大学电子学教研组编。
—4版.—北京：
高等教育出版社，2006.5。
附录
#include
#include"cry1602.h"
#include"cry1602.c"
#include
//typedefunsignedcharuchar;
//typedefunsignedintuint;
#defineNum_of_Results64
ucharshuzi[]={"0123456789."};
uchartishi[]={"Thevoltis:
"};
staticuintresults[Num_of_Results];
voiddelay（）
{for（inti=0;i<10000;i++）;
}
voidmain（void）
{
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
P3DIR=0;
//P6DIR|=BIT2;P6OUT|=BIT2;
P6DIR=0;
LcdReset（）;
DispNChar（2,0,12,tishi）;
Disp1Char（11,1,'V'）;
P6SEL|=0x02;
ADC12CTL0=ADC12ON+SHT0_9+MSC;
ADC12CTL1=SHP+CONSEQ_2+ADC12DIV_7;
ADC12MCTL0=INCH_1;
ADC12IE=0x01;
ADC12CTL0|=ENC;
ADC12CTL0|=ADC12SC;
_EINT（）;
LPM0;
}
#pragmavector=ADC12_VECTOR
__interruptvoidADC12ISR（void）
{
staticuintindex=0;
results[index++]=ADC12MEM0;
for（intj=0;j<100;j++）;
if（index==Num_of_Results）
{
uchari;
unsignedlongsum=0;
index=0;
for（i=0;i{
sum+=results[i];
}
sum>>=6;
Trans_val（sum）;
}
}
voidTrans_val（uintHex_Val）
{
unsignedlongcaltmp;
floatCurr_Volt1;
uintCurr_Volt,t1;
//doubleCurr_Volt1;
uchari;
ucharptr[5];
caltmp=Hex_Val;
//caltmp=（caltmp<<5）+Hex_Val;//caltmp=Hex_Val*33
//caltmp=caltmp*100;//caltmp=caltmp*10
//Curr_Volt=caltmp>>12;//Curr_Volt=caltmp/2^n
//Curr_Volt1=sqrt（（double）Curr_Volt）*2.575;
//Curr_Volt=（uint）Curr_Volt1;
Curr_Volt1=caltmp*3.3/4096;
//Curr_Volt1=（double）Curr_Volt/1000;
if（（P3IN&BIT3）==BIT3）
{if（Curr_Volt1>0.14）
Curr_Volt1=sqrt（Curr_Volt1-0.14）*1.771-0.0200;
else
Curr_Volt1=0;
}
else
{if（Curr_Volt1>1.3）
Curr_Volt1=sqrt（Curr_Volt1-1.3）*0.962-0.298;
else
Curr_Volt1=0;
}
Curr_Volt=Curr_Volt1*1000;
ptr[0]=Curr_Volt/1000;
t1=Curr_Volt-（ptr[0]*1000）;
ptr[2]=t1/100;
ptr[3]=t1%100/10;
ptr[4]=t1%10;
ptr[1]=10;
for（i=0;i<5;i++）
Disp1Char（（5+i）,1,shuzi[ptr[i]]）;
delay（）;
}
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