江苏省电子设计大赛A题微弱信号检测装置设计报告.docx

1、江苏省电子设计大赛A题微弱信号检测装置设计报告2012年江苏省TI杯模拟电路设计竞赛论文参赛学校： 三 江 学 院 参赛题目： 微弱信号检测装置 作 者： 李亮 王尧 王慧 指导教师： 徐 伦 龚秋英 2012年8月 摘要本作品使用TI公司的OPA134运算放大器、INA2134PA音频差动放大器、OPA2228、IF353等芯片为主要控制器，辅以电源、MPS430系列单片机、LCD显示等电路，实现了设计并制作出一套微弱信号检测装置。其中锁相放大器（lockin. Amplifier 简称LIA）在此作品中就是检测淹没在噪声中的微弱信号，它可用于测量交流信号的幅度和相位，有极强的抑制干扰和噪声

2、的能力，有极高的灵敏度，可测量毫微伏量级的微弱信号。首先通过把噪声源放大，使之输出的均方根电压值满足要求；然后使用加法器将函数发生器产生的有用信号与放大之后的噪声源叠加成为一个信号。之后通过纯电阻网络进行衰减，再通过锁相环放大电路进行检波滤波，最后通过单片机AD采集相敏检波得到的直流信号电压通过滤波算法从而得到准确的幅值信息并在12864上显示出。关键词： 微弱信号 峰值检波 锁相放大 MPS430 一、系统整体方案设计1、赛题分析本作品的任务是设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值即峰值。正弦波信号源是由函数发生器来代替。

3、噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过MP3的播放器播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声的幅度通过调节播放器的音量来进行控制。2、系统结构本作品以TI公司生产各种芯片为主要控制部件，设计并制作一套微弱信号检测装置。系统包含以下几个部分：MSP430单片机最小系统、放大器、加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路以及增强后继驱动能力的跟随器。通过单片机对微弱信号的处理在LCD12864上显示出信号的峰值。系统整体方框图，如图1所示：图1 系统方框图3、实现方法 首先通过把噪声源放大，使之输出的均方根电压值固定为1V0.1V；然后使用加法器将函数发生器产生的有用信号与放大之后的

4、噪声源叠加成为一个叠加信号。之后通过纯电阻网络将其衰减100倍，再通过锁相环放大电路进行检波滤波，最后通过单片机AD采集相敏检波得到的直流信号电压通过滤波算法进而得到更准确的幅值信息并在12864上显示出。4、方案选择方案一：选用带通滤波滤除频率远大于和远小于中心频率1KHZ的噪声信号。但是对于与有源带通滤波来说，有源滤波器不需要电感，能够提供增益，同时还可以与电压跟随器相结合使用，使得滤波器每级与电源和负载阻抗的影响隔离开，这种隔离允许独立设计滤波起各级，然后级联起来实现所要求的传递函数。但是，一般只有理想化的带通滤波才能完全滤掉干扰信号，而现实的滤波器不能。方案二：选用锁相放大电路滤除噪声

5、信号。锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是微弱信号检测的一种有效方法。用锁相滤波，通过相敏检波得到关于相位差和原始信号幅值的直流信号，通过计算可得原始信号幅值。两种方案的缺点：由于衰减后信号强度很小，滤波完成后得到的直流信号也很小，加之电流源对电路带来的工频信号参杂在直流信号里使得得到的信号浮动大，进而使测得的幅值精度大大减小。因此本次作品是以两种方案相

6、结合的方式，先用有源带通滤波进行一级滤波，然后再通过锁相放大进行二级滤波。但是，方案一有很多不足之处，所以在方案一的基础上对于它的不足之处进行改进，在滤波时增大运放增益，使得目标信号强度增强，从而减小工频信号的影响。这样就可以得到更准确的测量幅值。所以综上所述，经过综合考虑将方案一二结合运用。二、理论分析与计算1、理论分析基础部分因为1KHZ的正弦有用信号参杂噪声之后如果仅仅使用带通滤波，虽然可以滤到一部分杂波，但由于是微弱信号直接滤波效果不明显，于是决定先使用带通惊行一次滤波之后再采用锁相环放大电路滤波可以滤出更多的杂波得到有用波。因为对后继电路需要有更大的驱动能力，所以在设计的过程中加入多

7、个跟随器，提高其带负载的能力。2、关键电路分析1）有源带通滤波电路带通滤波电路只允许某一段内的信号通过，因此，它具有两个截止频率（即上限截至频率和下限截止频率），只要将高通滤波电路和低通滤波电路进行适当组合，即可获得带通滤波电路。如下图(a)图中所示为二阶压控电压源带通滤波电路，电路中R、C组成低通电路，C1、R3组成高通电路，要求RCR3C1（为了计算方便，现取R2=R,R3=2R,C1=C），所以低通电路的截止频率fh大于高通电路的截止频率fl，fhfl之间形成了一个通带，从而构成了通带滤波电路。带通滤波器的中心频率fo、品质因数Q以及通频带BW分别为 Q BW式中，1+ ,为同相放大电路

8、的电压增益，同样要求101，符合题目要求。因为在微弱信号检测电路的前面接了跟随器，其输入电阻接近无穷大，大于等于1M，故D点检测合格。5）E点检测:使用示波器对E点进行检测，经测，将伏每格旋钮调至最小，E点测试在示波器上显示一条带有略微上下振动的直流信号水平线，其幅值与输入是正弦信号源的幅值误差不大，符合要求。分析与结论:经测试E点出显示正常。综上所述：此微弱信号检测装置可以有效的去除噪声信号，并且尽可能的通过的有用信号，说明此装置测试成功。六、设计总结1、存在的问题1)由于电路中采用了带通滤波电路使得原始信号的频率范围受到限制，最好采用中心频率可调的带通滤波器，使得此微小信号检测电路能够更全

9、面的应用于更广的频率范围。2)电路板过于分散、导线来连接过多，从而对整个系统又引进许多噪声，增加了滤波难度。3)电源处理不够精细给整个系统又引进较大的工频信号，且工频信号一旦引入很难清除。2、设想展望本作品主要针对微弱信号检测进行了研究，重点研究了被噪声污染的微弱信号的时域检测。该作品以MPS430单片机为最小系统，通过对噪声源放大后与正弦信号的叠加、衰减、滤波、检波及到最后的显示，设计并制作了一套微弱信号检测装置系统。完成了基本要求（基本要求3实现的不太理想），以及发挥部分的一些要求。当然，除了之外，在题目的基础上有做了点延伸，让最后微弱信号检测出来的峰值在LCD显示屏上显现的更加直观化。通

10、过这次为期四天的竞赛，我们每个人都受益匪浅。在整个实践的过程中学到了很多的知识，同时也清楚的认识到好多事情只有亲身实践才能真正的学到有价值的东西。从理论到实践，在这四天中，可以说苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且还学到了很多在书本上所没学到的知识。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，值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。不过，我们在竞赛的过程中遇到了很多问题，可以说是困难重重，同时在这过程中也对自己有了重新的认识，了解到了自己的不足之处。不过

11、，虽然有很多困难，我们还是从中体会到了很多的乐趣。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对我们有很大的裨益，成为我们学习中一笔宝贵的财富。最后感谢学校和竞赛组提供这样的平台，让我们在实践中汲取知识，不断的丰富自己。 七、参考文献1黄 争,李 琰.运算放大器应用手册基础知识篇M.电子工业出版社,2010.2李桂安,葛年明,周 泉.电子技术实验及课程设计.东南大学出版社,2008.3王 昊,李 昕,集成运放应用电路设计360例.电子工业出版社,2007.4胡宴如,耿苏燕.模拟电子技术基础.高等教育出版社,2004.八、附件1、电路设计图。