电子设计大赛论文.docx
《电子设计大赛论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子设计大赛论文.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电子设计大赛论文
摘要
本系统是基于锁定放大器的微弱信号检测装置，用来检测在有干扰信号下已知频率的微弱正弦波信号的有效值。
该装置由加法器模块、纯电阻分压网络模块、基于锁定放大器的微弱信号检测电路模块、基于51单片机的有效值检测显示模块共同组成。
其中加法器和纯电阻分压网络产生微小信号，锁定放大器是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过NE555整形电路产生方波去驱动开关乘法器CD4053，再经过低通滤波器输出直流信号，最后通过A/D转换和单片机完成对微弱信号的采集处理并送至数码管显示，从而完成了对微弱信号的检测。
关键字：
微弱信号检测锁定放大器相敏检波移相器
1.系统方案
1.1.总体方案论证与选择
根据题目要求分析可知，本设计的核心是相敏检波电路，因此重点论证该部分电路的设计方案，其他部分电路设计方案后面直接给出。
1.1.1.相敏检波器电路论证与选择
方案一：
模拟电路相敏检波。
采用运算放大器LF353构成的整形电路部分，用于对参考信号的处理；采用由场效应管构成的电子开关电路部分，用于控制相敏检波器；由运算放大器LF353构成的相敏检波器部分。
方案二：
采用AD630组成电子开关式相敏检测器，参考方波信号由锁相环CD4046实现，它具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点，内部VCO产生50%占空比的方波，其工作频率高达1MHz。
但此方案操作起来不易，且核心芯片价格昂贵，不符合实际。
方案三：
二极管桥型相敏检波电路。
此电路需要用到变压器，体积庞大不方便且成本较高。
综合比较，方案一简单可靠，成本低廉，便于实现，故选择方案一。
1.1.2.移相网络论证与选择
移相器是参考通道的主要电路，它负责将参考信号处理成与待测信号频率相干，便于相敏检波器检测，故在此加以论证。
方案一：
采用全通滤波器模拟移相电路，一阶全通滤波器的移相范围接近180°，用两个运放级联的方式使相位可以在360°范围内变化。
方案二：
采用数字移相方法，数字移相可以在4个象限内进行0～89°的调节，四个象限合起来甚至可以实现0～360°的移相，由集成芯片控制频率和相位预值，如用CD4046锁相环组成。
相比之下，方案二增加了电路设计上的复杂度，成本也很高。
方案一电路简单易行。
故选择方案一。
1.1.3.显示电路论证与选择
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。
但对于本设计而言，不需要显示字母，只需要显示数字即可。
此方案程序设计较为复杂，性价比低。
方案二：
利用数码管作为显示电路，程序设计简单，性价比高，易于实现。
两种显示电路设计方案相比较，数码管价格便宜，实现简单，所以选择方案二。
1.2.总体设计思路
依据本题要求，本系统由加法器、前置交流放大器、带通滤波器、移相器、整形电路、相敏检波器、低通滤波器和直流放大器组成。
其中电阻分压网络将参考信号衰减降压到有效值为10μV~1mV作为待测信号，由同相放大电路构成的加法器将噪声信号叠加到待测信号中，参考信号经过移相器和整形电路输出方波驱动相敏检波器，经低通滤波后输出的直流信号通过A/D转换和单片机处理，最后在数码管上显示出来。
系统总体框架图如下：
图1-1系统总体框架图
2.理论分析与计算
2.1.加法器单元电路设计
图2.1-1
题目要求待测信号s（t）和干扰信号n（t）以1:
1叠加，假定U1表示待测信号，U2表示干扰信号，则：
Uo=U1+U2
根据“虚短”，有U
=U
即
Uo=（1+R4/R1）*U
=（1+R4/R1）*（R
*U1/R1+R
*U2/R3）
又因“虚断”，有i
=i
=0,
可以得到U
=（R
/R1）U1+（R
/R3）U2
其中R
=R1//R3//R5
令U1=U2
解得R1=10K,R2=10K.
2.2.电阻分压网络单元电路设计
图2.2-1
2.3.锁定放大器电路设计
锁定放大器是以相敏检波器为核心，利用参考信号频率与输入待测信号频率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声干扰信号中提取出有用的信号，使得测量精度大大提高。
锁定放大器设计分成五个模块：
前置放大与带通滤波、相敏检测器（鉴相器）、参考通道（移相器与整形电路）、低通滤波器、直流放大器。
1）前置交流放大
图2.3-1
2）带通滤波器
图2.3-2
题目要求检测出通频带为900Hz～1200Hz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，带通滤波器的上限截止频率为低通滤波器上限截止频率，带通滤波器的下限截止频率为高通滤波器的下限截止频率。
此设计我们采用二阶带通滤波电路。
题目要求设计的带通滤波器，指标为滤出900Hz～1200Hz的信号，通频带
=f2-f1=1200-900=300Hz；通带中心频率为300
2+900=1050Hz。
已知下限截止频率为f1=900Hz，上限截止频率为f2=1200Hz.
高通滤波下限截止频率求出所需电阻：
由计算得：
72343Ω
低通滤波上限截止频率求出所需电阻：
由计算得：
=176839Ω
3）相敏检波器
相敏检波器模块主要由三部分组成：
一是由运算放大器A1构成的整形电路部分，用于对参考信号的处理；二是由场效应管构成的电子开关电路部分，控制相敏检波器；三是由运算放大器A2构成的相敏检波器部分。
当
（2）端的控制电压为高电平时，二极管D截止，开关管栅极G为低电平，BG截止，相当开关断开。
此时，相敏检波器为反相运算放大器，输入与输出信号反相。
当
（2）端的控制电压为低电平时，二极管D导通，开关管栅极G为高电平，BG导通，相当开关接通。
此时，相敏检波器为同相运算放大器，输入与输出信号同相。
4）移相器
图2.3-4
移相器由运放LF353两级放大构成，其中，运算放大器A1与移相网络R1、R2、W1、C1构成微分电路,理论上可以实现180°超前移相。
运算放大器A2与移相网络R4、R5、W2、C2构成积分电路,理论上可以实现180°滞后移相。
改变W1与W2的大小，可以改变输出信号的相位。
5）低通滤波器
经过相敏检波器后的信号中任然有一部分干扰信号没有被滤出干净，为了使待测信号更稳定可靠，在此设计一个低通滤波器。
6）直流放大器
刚刚通过低通滤波器后得到的干净的待测信号，将其适当放大后就可以送入A/D转换采集，最后通过单片机处理后在数码管上显示待测信号有效值。
3.电路与程序设计
3.1.整体电路图
3.2.
软件程序流程图
No
Yes
4.测试方案与测试结果
4.1.测试仪器
仪器名称
型号
数量
示波器
1
信号源
2
交流毫伏表
1
数字万用表
1
4.2.测试方案
按照题目的各项要求，我们逐条测试。
（1）
（2）
（3）
（4）当输入信号S（t）频率分别为900Hz、1000Hz、1100Hz，输入信号电压有效值在10μV~1mV之间改变时，观察数码管输出有效值，与输入信号有效值相比较，看误差是否在题目要求范围内。
表一：
f=900Hz时测试结果
输入信号S（t）有效值/V
数码管显示电压有效值/V
误差
表二：
f=1000Hz时测试数据
输入信号S（t）有效值/V
数码管显示电压有效值/V
误差
表三：
f=1100Hz时测试数据
输入信号S（t）有效值/V
数码管显示电压有效值/V
误差
结果分析：
（5）
（6）当引入干扰信号n（t）后测试结果见表四。
表四：
输入信号频率/Hz
输入信号有效值/V
数码管显示有效值/V
误差
S（t）
n（t）
S（t）
n（t）
结果分析：
5.结论
本设计中，我们的方案论证从成本、实现难易程度等角度出发，认真选择最适合这次设计的芯片及元器件。
系统电路中相敏检波器能够在信号频率缓慢变化时有效检测出有用信号，成功的将微小信号放大。
但由于时间仓促，还有一些问题没有很好地解决，没有时间进一步改进系统。
通过这次的竞赛使我们懂得了理论与实践实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，唯有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
而且，此次竞赛还培养了我们分工合作的精神，让我们对自己的工作能力树立了信心。
相信在以后的工作学习中会对我们有很大的帮助，是我们学习中一笔宝贵的财富。
参考文献
[1]杨素行主编.模拟电子技术基础简明教程.3版.北京：
高等教育出版社，2006.
[2]
[3]何桥主编.单片机原理及应用.北京：
中国铁道出版社，2008.
[4]郭天祥编著.51单片机C语言教程.北京：
电子工业出版社，2009.
附录
程序清单：
升级会员 