微弱信号检测装置设计.doc

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 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 2.2纯电阻单元电路设计 5 2.3 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 方案选择与论证 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：方案：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。方案3：方案选定：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： 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 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 第一级： 取标准值为C1=10nF，C2=1.01nF，R1=84.87K，R2=7.35K ，R3=2.5K, R4=22.5K。 代入数据，R1=84.87k，R2=7.35K ，C1=10nF， C2=1.01nF，算出fc=2001.2Hz,符合要求。代入 R3=2.5K, R4=22.5K.K=1+R4/R3=10，符合要求。 第二级： 取标准值为C1=10nF， C2=1.01nF，R1=190.21K，R2=3.05K，R3=2.5K, R4=22.5K。 2.3.2 鉴相器电路设计 开关型鉴相器 相敏检测器是由乘法器和积分器组成，其中乘法器一般采用开关乘法器，积分器通常由低通滤波器组成，给出相敏检测器的构成原理图。 相敏检测器原理图设待测信号，其中为待测信号中的有效信号，n为噪声。参考信号，则经乘法器的输出信号为，积分器的输出信号为： = 上式中、分别是待测有效信号与参考信号及参考信号与噪声之间的相关函数，对于项，由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为参考信号与噪声互相独立，它的相关函数为零：即经过长时间的积分，项为零，实际上积分时间不可能无限长，也就是说实际计算中不可能为零，它表现为剩余噪声，但噪声对测量结果的影响已经大大降低，对于项为： = 由上式可知，积分内的两项是待测有效信号与参考信号的和频及差频相关，当时，且噪声相关函数为零时，积分器输出的信号可表示为： 式中K为低通滤波器的传递系数，为待测信号与参考信号的相位差，当待测信号与参考信号同频率时，相敏检测器输出的信号与待测有效信号的幅度有关，也与待测信号与参考信号的相位差有关，调整参考信号的相位，当=时，相敏检测器的输出信号与待测信号的幅度成正比。总之，由于输入信号中的噪声与参考信号不相关，经积分器积分后，噪声得到了很好的抑制，而有效信号得到了放大，从而提高了测量的精度和信噪比。。 当R1=R2=R,C1=C2=C时，Wc=1/RC,设计值为：R1=R2=5K, R3=R4=10K, C1=C2=470nf。符合要求。 2.4 MSP4