微弱信号检测装置——2012年辽宁省TI杯电子大赛一等奖论文.pdf

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 - - 1 目录 一． 方案选择与论证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 5 2.2 纯电阻单元电路设计 5 2.3 锁相放大器电路设计 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 - - 2 一． 方案选择与论证 1.1 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： 带通滤波：滤波器广泛应用于现代信号处理的各个领域，如调制解调、检测 处理等等，滤波器包括低通、高通、带通、带阻。其中带通滤波器适合于本题的 小信号检测。但是鉴于本题的极低信噪比，故要求滤波器拥有极高的Q 值，那是 不可能实现的，故放弃此方案。 方案2： 集成模拟乘法器：利用锁相放大的原理对强噪声背景下的小信号进行相干检 测，能够实现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。锁相放大器的核心器件是相位敏感期器，利用模拟乘法器如MC1496 实现鉴 相，调试复杂，价格较高，且动态范围小，线性度较差，故放弃。 方案3： 开关式乘法器：采用方案2 的对小信号的检测原理，即利用锁相放大器对强 噪声背景下的小信号进行相干检测。但是其核心器件相位敏感期器由开关式乘法 器搭建，具有价格低廉，基本无需调试等优点，是一种较为实用的相敏检波器。 方案选定： 综上，本设计采用方案3，即采用以开关式乘法器为核心的锁相放大器搭建 微弱信号检测电路，对本题中的微弱信号进行检测。 1.2 总体设计思路及框图 总体设计思路： 首先正弦波信号源产生的信号与噪声源经OPA2134 搭建的加法器相加，保证 了输出精度及要求的1MHz 带宽；之后经过纯电阻分压网络衰减 100 倍，进入微 弱信号检测电路；微弱信号检测电路包括前置放大器，前置滤波器，鉴相器，低 通滤波器以及由移相器和比较器构成的参考通道，由OPA2134、OPA2340、LF317、 OP07、4052 等芯片具体实现；最后的检测及显示