简易微弱信号检测装置题目方案分析.ppt

微弱信号检测装置 题目方案汇报 小组成员：电 信 院 任务 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。为便于测评比较，统一规定显示峰值。整个系统的示意图如下图所示。正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。图中A、B、C、D和E分别为五个测试端点。 微弱信号检测装置示意图 题目要求： 1. 基本要求 （1）噪声源输出VN的均方根电压值固定为 1V?0.1V；加法器的输出VC =VS+VN，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。 （2）微弱信号检测电路的输入阻抗Ri≥1 M?。 （3）当输入正弦波信号VS 的频率为1 kHz、幅度峰峰值在200mV ~ 2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 2. 发挥部分要求 （1）当输入正弦波信号VS 的幅度峰峰值在20mV ~ 2V范围内时， 检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 （2）扩展被测信号VS的频率范围，当信号的频率在500Hz ~ 2kHz范围内，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 （3）进一步提高检测精度，使检测误差不超过2%。 （4）其它（例如，进一步降低VS 的幅度等）。 我们采取的方案：自相关 我们很容易发现叠加噪声之后的信号，实际上是一个平稳的随机过程： 当 =0时，自相关函数达到最大值，即 的平均功率，也就是正弦信号的平均功率。 要实现两路模拟信号相乘，就必须使用模拟乘法器。而模拟乘法器在市场上比较少，很难获得。 为了降低对乘法器的要求，我们将一路信号进行波形变换，整成方波，实现方波与正弦波相乘。只要方波中基波频率与正弦波相等，就可以进行相关。 整体方案方框图 核心电路（乘法器）的具体实现方法 乘法器的实现。由于我们手里没有乘法器芯片，我们 采用了低成本的电子开关(二选一)来构成这个乘法器。 噪声与待测信号的混合信号分成两路，一路同相跟一路反向，用方波来驱动开关，进行相位选择，从而实现正弦信号与方波信号相乘。 未加入噪声，乘法器实际输出波形(Vpp=2v) 加入噪声时，乘法器实际输出波形 信号幅值较小时，乘法器实际输出波形 测试结果： 500Hz 2KHz 输入/V 输出/V 误差/% 输出/V 误差/% 1 1.0010 0.1 0.9880 1.2 0.5 0.5030 0.6 0.4993 0.14 0.3 0.3003 0.1 0.2975 0.83 0.2 0.2017 0.85 0.1980 1 0.1 0.1006 0.6 0.0995 0.5 0.05 0.0508 1.6 0.0491 1.8 0.04 0.0401 0.25 0.0402 0.5 0.03 0.0304 1.3 0.0305 1.67 0.025 0.0269 7.6 0.0276 10.4 0.02 0.0251 25.5 0.0250 25 0.01 0.0244 -- 0.0253 -- 存在的问题： 1.输入信号峰值小于30mV时，无法进行测量，不管你输入如何变化，检测出来的值始终在25mV上下波动。 2.不管输入多大电压，检测出来的值，mV级始终在波动。 只不过大于30mV的信号波动始终在2%误差范围内。 分析： 后级积分电路R、C取值分别为910K、10uF，截止频率达 到0.017Hz。 上面问题说明积分之后的信 号中还含有一部分低频噪声。 主要原因：未加高通滤波器 音频噪声的频域波形 观察频域波形可以发现，噪声主要集中在0~20KHz的频率范围内。从理论上来说只需要加入一个高通滤波器就可以了，高频噪声就交给后级的积分电路了。 但引入高通滤波器必然会引起较大的相位变化，相位的变化将严重影响信号的同步。 常用的相位处理方法： 移相、补偿、矢量正交等。 下面我们针对矢量正交法进行详细的讲解。 更为理想的方案：正交矢量型锁相放大器（自由轴法） 结构示意图： 其中 为待测正弦信号，， 为正交的单位方波。 矢量正交图： MATLAB软件仿真波形 用正交矢量型锁相放大器就不用考虑待测信号的相位是否与参考信号的相位一致，这样就可以在待测信号回路中加高通滤波器，滤掉低频段的噪声，可以大大改善信噪比。我们查找了一些集成的锁相放大器芯片，发现ADI公司的AD630能够检测出信噪比在100dB以内的弱信号。采用该芯片能够实现更小的信号检测。 总结：