基于DSP的微弱信号检测采集系统设计
通常所用的数据采集系统，其采样对象都为大信号，即有用信号幅值大于噪声信号。但在一些特殊的场合，采集的信号很微弱，其幅值只有几个μV，并且淹没在大量的随机噪声中。此种情况下，一般的采集系统和测量方法无法检测该信号。本采集系统硬件电路针对微弱小信号，优化设计前端调理电路，利用测量放大器有效抑制共模信号（包括直流信号和交流信号），保证采集数据的精度要求。针对被背景噪声覆盖的微弱小信号特性，采用简单的时域信号的取样积累平均方法，有利于减少算法实现难度。
DSP芯片因其具有哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期等特点，使其适合复杂的数字信号处理算法。本系统采用TI公司的TMS320C542作为处理器，通过外部中断读取ADC数据，并实现取样累加平均算法。
1. 取样积累平均理论
微弱信号检测（Weak Signal Detection）是研究从微弱信号中提取有用信息的方法。通过分析噪声产生的原因和规律，利用被测信号的特点和相干性，检测被背景噪声覆盖的有用信号。常用的微弱信号检测方法有频域信号的相干检测、时域信号的积累平均、离散信号的计数技术、并行检测方法。其中时域信号积累平均是常用的一种小信号检测方法。
取样是一种频率压缩技术，将一个高重复频率信号通过逐点取样将随时间变化的模拟量，转变成对时间变化的离散量的集合，从而可以测量低频信号的幅值、相位或波形。时域信号的取样积累方法是在信号周期内将时间分成若干间隔，在这些时间间隔内对信号进行多次测量累加。时间间隔的大小取决于要求恢复信号的精度。某一点的取样值都是信号和噪声
若要恢复的信号逼近真实信号，重复采样的次数越多越好，取样时间间隔必须要短。m 的值越大及重复的次数越多，信号恢复的真实性越好。由于各方面的限制（如存储器位数的制约），不可能做到任意多次的重复。
2.系统硬件设计
整个数据采集系统硬件电路包括前端调理电路和数据采集电路两大部分。前端调理电路主要功能是消除共模干扰，对微弱小信号进行放大、滤除、差分输出，经双绞线传输至数据采集电路。数据采集电路完成数据采集并完成积累平均算法。
2.1前端调理电路设计
前端调理电路由测量放大器、4阶贝塞尓低通滤波器、差分输出放大器构成（如图1所示）。
数据采集系统中，若待测信号为很微弱的小信号，需要用放大器加以放大。通用运算放大器不能直接放大微弱信号，必须用测量放大器。测量放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，在检测微弱信号的系统中广泛作为前置放大器。
采用LINER公司的高性能运放LT1125作为测量放大器，其带宽为12.5MHZ，最大失调电压为70μv,共模抑制比为112db,转换速率为4.5V/μs。利用低功耗高速运放LT1355构成4阶贝塞尓低通滤波器，其截止频率为200HZ,摒除采集信号中的高频分量。为提高信号传输过程中的抗干扰能力，采用AD公司的高速差分输出放大器SSM2142，将单端信号通转换成差分信号，同时增加信号的驱动能力。差分信号经双绞线传输，抗干扰能力强，能有效抵消共模噪声、抑制EMI。
2.2采集电路设计
采集电路由差分放大器、增益放大器、A/D芯片、DSP、FLASH和CPLD组成（如图3所示）。
采集电路启动时，由固化在TMS320C542内部ROM中的引导程序，将Flash中的应用程序自举加载在DSP内部的
SRAM中。DSP支持不同的加载方式，本系统采用8位并行I/O加载方式。加载程序完成以后，DSP脱离FLASH独立运行SRAM中的应用程序。DSP的应用程序中有专门的中断程序，响应外部中断并读取数据。在DSP内部SRAM运行应用程序，提高程序运行速度，降低对外部ROM的速度要求，提高系统的实时性。由于TMS320C542的通用I/O接口较少，因此使用一片XC9536作为通用的I/O的扩展接口。由于CPLD可重复擦写，TMS320C542通过CPLD对外设进行地址编码有很大的灵活性和可修改性。
3.系统软件的设计
数据采集系统的软件包括DSP初始化程序，中断向量表，应用程序（包括响应外部中断程序）。采集系统启动时首先运行DSP内部ROM固化的BOOT LOADER程序，将存储在FLASH 中的程序代码加载到DSP内部RAM中。应用程序中首先是初始化程序，通过配置DSP内部寄存器，确定DSP具体的工作状态，然后是中断响应程序。中断向量表对应DSP的各个中断，包括硬件中断和软件中断，DSP通过中断向量表启动中断程序。
本采集系统在阵列感应测井中应用，具体的算法简单归结为采样96个测试点，每点分别采样4096次，将各点的采样值累加，恢复微弱信号。本程序在DSP内部设一段连续的数据存储器空间，用于存储累加数据。最终的累加值的位数（12位采样精度，个采样值叠加）为24位，每相邻的2个字存储空间存放一点的累加值。其程序简要如下：
本文介绍基于DSP芯片、利用取样累加平均的方法，检测强噪声覆盖的微弱信号的数据采集系统。本系统硬件电路设计可靠，抗干扰能力强，测量精度高。算法简单，易于DSP 实现，满足测井实时性的要求。
参考文献
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[3] 王幸之王雷著. 单片机应用系统抗干扰技术. 北京：北京航空航天出版社. 2001.3
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[5] TMS320C54X DSP Reference Set Volume 1-5 . TI Company
2012年TI杯四川省大学生电子设计竞赛 微弱信号检测装置（A题） 【本科组】
微弱信号检测装置（A题） 【本科组】 摘要：本设计是在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，采用TI公司提供的LaunchPad MSP430G2553作为系统的数据采集芯片，实现微弱信号的检测并显示正弦信号的幅度值的功能。电路分为加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路、以及数码管显示电路组成。当所要检测到的微弱信号在强噪音环境下，系统同时接收到函数信号发生器产生的正弦信号模拟微弱信号和PC机音频播放器模拟的强噪声，送到音频放大器INA2134，让两个信号相加。再通过由电位器与固定电阻构成的纯电阻分压网络使其衰减系数可调（100倍以上），将衰减后的微弱信号通过微弱信号检测电路，检测电路能实现高输入阻抗、放大、带通滤波以及小信号峰值检测，检测到的电压峰值模拟信号送到MSP430G2553内部的10位AD 转换处理后在数码管上显示出来。本设计的优点在于超低功耗 关键词：微弱信号MSP430G2553 INA2134 一系统方案设计、比较与论证 根据本设计的要求，要完成微弱正弦信号的检测并显示幅度值，输入阻抗达到1MΩ以上，通频带在500Hz~2KHz。为实现此功能，本设计提出的方案如下图所示。其中图1是系统设计总流程图，图2是微弱信号检测电路子流程图。 图1系统设计总流程图 图2微弱信号检测电路子流程图
1 加法器设计的选择 方案一：采用通用的同相/反相加法器。通用的加法器外接较多的电阻，运算繁琐复杂，并且不一定能达到带宽大于1MHz，所以放弃此种方案。 方案二：采用TI公司的提供的INA2134音频放大器。音频放大器内部集成有电阻，可以直接利用，非常方便，并且带宽能够达到本设计要求，因此采用此方案。 2 纯电阻分压网络的方案论证 方案一：由两个固定阻值的电阻按100:1的比例实现分压，通过仿真效果非常好，理论上可以实现，但是用于实际电路中不能达到预想的衰减系数。分析：电阻的标称值与实际值有一定的误差，因此考虑其他的方案。 方案二：由一个电位器和一个固定的电阻组成的分压网络，通过改变电位器的阻值就可以改变其衰减系数。这样就可以避免衰减系数达不到或者更换元器件的情况，因此采用此方案。 3 微弱信号检测电路的方案论证 方案一：将纯电阻分压网络输出的电压通过反相比例放大电路。放大后的信号通过中心频率为1kHz的带通滤波器滤除噪声。再经过小信号峰值电路，检测出正弦信号的峰值。将输出的电压信号送给单片机进行A/D转换。此方案的电路结构相对简单。但是，输入阻抗不能满足大于等于1MΩ的条件，并且被测信号的频率只能限定在1kHz，不能实现500Hz~2KHz 可变的被测信号的检测。故根据题目的要求不采用此方案。 方案二：检测电路可以由电压跟随器、同相比例放大器、带通滤波电路以及小信号峰值检测电路组成。电压跟随器可以提高输入阻抗，输入电阻可以达到1MΩ以上，满足设计所需；采用同相比例放大器是为了放大在分压网络所衰减的放大倍数；带通滤波器为了选择500Hz～2KHz的微弱信号；最后通过小信号峰值检测电路把正弦信号的幅度值检测出来。这种方案满足本设计的要求切实可行，故采用此方案。 4 峰值数据采集芯片的方案论证 方案一：选用宏晶公司的STC89C52单片机作为。优点在于价格便宜，但是对于本设计而言，必须外接AD才能实现，电路复杂。
微弱信号检测装置 摘要：本设计是在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，采用TI公司提供的LaunchPad MSP430G2553作为系统的数据采集芯片，实现微弱信号的检测并显示正弦信号的幅度值的功能。电路分为加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路、以及数码管显示电路组成。当所要检测到的微弱信号在强噪音环境下，系统同时接收到函数信号发生器产生的正弦信号模拟微弱信号和PC机音频播放器模拟的强噪声，送到音频放大器INA2134，让两个信号相加。再通过由电位器与固定电阻构成的纯电阻分压网络使其衰减系数可调（100倍以上），将衰减后的微弱信号通过微弱信号检测电路，检测电路能实现高输入阻抗、放大、带通滤波以及小信号峰值检测，检测到的电压峰值模拟信号送到MSP430G2553内部的10位AD 转换处理后在数码管上显示出来。本设计的优点在于超低功耗 关键词：微弱信号MSP430G2553 INA2134 一系统方案设计、比较与论证 根据本设计的要求，要完成微弱正弦信号的检测并显示幅度值，输入阻抗达到1MΩ以上，通频带在500Hz~2KHz。为实现此功能，本设计提出的方案如下图所示。其中图1是系统设计总流程图，图2是微弱信号检测电路子流程图。 图1系统设计总流程图 图2微弱信号检测电路子流程图 1 加法器设计的选择 方案一：采用通用的同相/反相加法器。通用的加法器外接较多的电阻，运算繁琐复杂，并且不一定能达到带宽大于1MHz，所以放弃此种方案。
方案二：采用TI公司的提供的INA2134音频放大器。音频放大器内部集成有电阻，可以直接利用，非常方便，并且带宽能够达到本设计要求，因此采用此方案。 2 纯电阻分压网络的方案论证 方案一：由两个固定阻值的电阻按100:1的比例实现分压，通过仿真效果非常好，理论上可以实现，但是用于实际电路中不能达到预想的衰减系数。分析：电阻的标称值与实际值有一定的误差，因此考虑其他的方案。 方案二：由一个电位器和一个固定的电阻组成的分压网络，通过改变电位器的阻值就可以改变其衰减系数。这样就可以避免衰减系数达不到或者更换元器件的情况，因此采用此方案。 3 微弱信号检测电路的方案论证 方案一：将纯电阻分压网络输出的电压通过反相比例放大电路。放大后的信号通过中心频率为1kHz的带通滤波器滤除噪声。再经过小信号峰值电路，检测出正弦信号的峰值。将输出的电压信号送给单片机进行A/D转换。此方案的电路结构相对简单。但是，输入阻抗不能满足大于等于1MΩ的条件，并且被测信号的频率只能限定在1kHz，不能实现500Hz~2KHz 可变的被测信号的检测。故根据题目的要求不采用此方案。 方案二：检测电路可以由电压跟随器、同相比例放大器、带通滤波电路以及小信号峰值检测电路组成。电压跟随器可以提高输入阻抗，输入电阻可以达到1MΩ以上，满足设计所需；采用同相比例放大器是为了放大在分压网络所衰减的放大倍数；带通滤波器为了选择500Hz～2KHz的微弱信号；最后通过小信号峰值检测电路把正弦信号的幅度值检测出来。这种方案满足本设计的要求切实可行，故采用此方案。 4 峰值数据采集芯片的方案论证 方案一：选用宏晶公司的STC89C52单片机作为。优点在于价格便宜，但是对于本设计而言，必须外接AD才能实现，电路复杂。 方案二：采用TI公司提供的MSP430G2553作为控制芯片。由于MSP430G2553资源配置丰富，内部集成了10位AD，可以直接使用，简化电路，程序实现简单。此外还有低功耗，以及性价比高等优点，所以采用该方案。 5 显示电路的方案设计 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
第26卷第6期2013年6月 传感技术学报 CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS Vol.26 No.6Jun.2013 项目来源:贵州大学研究生创新基金项目(理工2012013)收稿日期:2013-03-19 修改日期:2013-05-06 The Design of Weak Signal Detection System in Strong Magnetic Field * LIU Wenjing ,WANG Minhui *,WANG Yalin ,HU Lanzi (Electrical Engineering College of Guizhou University ,Guiyang 550025,China ) Abstract :In order to measure the electric current of busbar ,a measuring device is designed to provide a reference for busbar configuration.This device is based on INA114which is an operational amplifier circuit with high precision and processor S3C2440of ARM.Weak voltage signal and temperature signal can be detected under the strong magnetic field by the detecting system.The characteristic feature and the adverse effects of the strong magnetic field are introduced ,and the characteristics of hardware ,software ,Anti?interference measures are also analyzed.We use the way of power spectral estimation to confirm the signal information of the frequency ,which is proved validity by LabVIEW simulation result.According to the signal frequency ,a low pass filter is designed in the hardware.Finally ,the test data proves that the accuracy of the system can be within 5%.In strong magnetic field the device can collect data once per second and track the change of the current in time. Key words :weak signal detection ;strong magnetic field ;busbar current ;detection circuit ;power spectral estimation ;anti?interference measure EEACC :6140 doi :10.3969/j.issn.1004-1699.2013.06.022强磁场下微弱信号检测系统设计 * 刘文静,王民慧*,汪亚霖,胡兰子 (贵州大学电气工程学院,贵阳550025) 摘 要:为获知母线电流的分布情况,给母线配置提供参考,设计了一个以高精度运放INA114和RAM 处理器S3C2440为基 础的检测装置,使其在强磁场环境下能完成微小电压和温度信号的测量三阐述了强磁场环境的特点和影响,重点分析了系统的硬件构成,软件设计和系统所采取的抗干扰措施三其中,硬件设计采用了功率谱估计的方法确定信号频段,通过Labview 的仿真实验验证了该方法的可行性,并以该频段信息为参考依据设计了低通滤波器三最后,通过试验数据证明了该系统的可靠性,其测量误差小于5%,且在强磁场环境下能实现每秒采集一次数据,实时跟踪电流变化的功能三 关键词:微弱信号检测;强磁场环境;母线电流;检测电路;功率谱估计;抗干扰措施 中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2013)06-0865-06 众所周知,铝电解槽的电场二磁场和流场的稳定直接决定了电解槽的运行情况[1],而运行稳定的电解槽又有利于降低运行电压,达到节能减排的要求三但是,如果母线配置存在缺陷将会导致阴极电流的分布不均,从而无法降低运行电压三刘升[2]在对 300kA 系列电解槽的母线优化改造的研究中,主要以母线电流分布作为参考依据来发现缺陷,通过修正母线电阻来达到从新分配电流的目的三改造后,修正了母线电流的分布偏差,且吨铝省电超过200kWh ,达到了节能的效果三该研究表明,对母线电流 分布的在线监控,可以分析母线配置是否存在缺陷,从而指导电解槽的运行和维护三周萍[3]通过对不同进电方式的电解槽进行了研究,并得出结论:电解槽的进电方式直接影响了槽内熔体的运动三贺志辉[4]对不同进线点的母线配置和母线补偿技术进行了研究,研究表明:进线点数较多以及适当使用母线补偿技术可以有效的降低影响电解生产的垂直磁场强度三对于铝电解工业,电解槽内产生的磁场是直接影响磁流体运动的主要原因之一,磁场不稳定会引起磁流体的强烈扰动[5],从而威胁安全生产三
目录 摘要 (1) Abstract (1) 第一章绪论 (2) 1.1 微弱信号检测技术概述 (2) 1.2 信号检测的方法及微弱信号的特点 (2) 1.2.1 常规小信号的检测方法 (2) 1.2.2 微弱信号的检测方法 (4) 1.2.3 微弱信号的特点 (4) 1.3 本文的主要工作 (5) 第二章微弱信号检测装置设计方案选择与论证 (6) 2.1 方案选择与论证 (6) 2.1.1 系统方案的确定 (6) 2.1.2移相网络设计 (9) 2.2总体方案论述 (9) 第三章基于锁相放大的微弱信号检测装置设计 (10) 3.1 锁相放大器原理 (10) 3.2 移相网络 (10) 3.3 相敏检波器原理分析 (11) 3.4 电路设计 (12) 3.4.1加法器 (12) 3.4.2纯电阻分压网络 (12) 3.4.3前级放大电路模块 (13) 3.4.4带通滤波器 (13) 3.4.5相敏检波器 (13) 第四章仿真分析与程序设计 (16) 4.1 仿真分析 (16) 4.1.1 输入信号波形（前置两级放大电路输入波形） (16) 4.1.2 经过前置放大电路和带通滤波器后输出波形 (16) 4.1.3 参考信号输入输出波形 (17) 4.1.4 LM311过零比较器输出波形 (18) 4.1.5 开关乘法器输出波形 (18) 4.1.6 低通滤波输出波形 (19) 4.2 程序设计 (20) 第五章实物展示与测试方案及结果 (21) 5.1 实物展示 (21) 5.2 测试方案与测试结果 (21) 5.2.1 测试仪器 (21) 5.2.2 测试方案 (21) 5.3测试结果及分析 (23) 5.4 总结 (23)
LDO 低输出噪声的分析与优化设计 1 LDO 的典型结构 LDO 的典型结构如下图所示,虚线框内为LDO 芯片内部电路,它是一个闭环系统,由误差放大器(Error amplifier)、调整管(Pass device)、反馈电阻网络(Feedback resistor network)组成,其闭环增益是: OUT REF V Acloseloop V = (1) 此外,带隙基准电压源 ( Bandgap reference)为误差放大器提供参考电压。 LDO 的工作原理是：反馈电阻网络对输出电压进行分压后得到反馈电压,该电压输入到误差放大器的同相输入端。误差放大器放大参考电压和反馈电压之间的差值, 其输出直接驱动调整管,通过控制调整管的导通状态来得到稳定的输出电压。例如,当反馈电压小于基准电压时,误差放大器输出电压下降,控制调整管产生更大的电流使得输出电压上升。当误差放大器增益足够大时,输出电压可以表示为： R1(1+)R2 OUT REF V V = (2) 所谓基准电压源就是能提供高精度和高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，其原理是利用PN 结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN 结电压差的正温度系数电压相互补偿，而使输出电压达到很低的温度漂移。传统基准电压源是基 于晶体管或齐纳稳压管的原理而制成的，其αT =10-3/℃~10-4/℃，无法满足现代电子测量之 需要。20世纪70年代初，维德拉(Widlar)首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带隙(Bandgap)电压。所谓能带间隙是指硅半导体材料在0K 温度下的带隙电压，其数值约为 1.205V ，用U go 表示。带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管发射结正向压降的负温漂，从而实现了零温漂。由于未采用工作在反向击穿状态下的稳压管，因而噪声电压极低。带隙基准电压源的简化电路如下图所示。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/4d13827891.html, 基于锁定放大器的微弱信号检测系统设计 作者：蒋碧波杨振国杨越 来源：《科技经济市场》2017年第04期 摘要：文章设计了一种基于锁定放大器的微弱信号检测系统，该系统以相敏检波器和单片机为核心，结合加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。测试表明，该系统可以有效地用于噪声淹没的微弱信号检测。 关键词：微弱信号；强噪声；相敏检波 0.概述 微弱信号检测技术综合利用电子、信息学、计算机技术和物理学方法，研究导致噪声的原因和规律，以及被测信号的相关性，将被噪声淹没的微弱有用信号检测出来。相较于生物芯片扫描法中扫描时间与检测灵敏度难以兼顾的缺点和微弱振动信号的谐波小波频域提取法的局限性来说，以锁定放大器为核心的微弱信号检测系统更有潜力。 用调制器将直流或渐变信号进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检测器检测频率和相位，利用窄带低通滤波器来抑制高频噪声，大大提高了稳定性，这些优点使得该项技术具有更加广阔的应用前景。 1.锁定放大器的原理 锁定放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成。其基本思想是将与被测信号相同频率和相位关系的参考信号作为基准信号，使得只有与被测信号本身以及与参考信号同频和同相的噪声分量有响应，其他频率的噪声被抑制，从而能提取出有用信号。若增加辅助前置放大器，锁相放大器增益可达220dB，能检测极微弱交流输入信号。锁定放大器输出为直流电压信号，且正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。与一般的带通放大器不同，锁相放大器具有极强的抗噪声能力。 系统的核心相敏检波器（PSD）的本质功能是对两个信号之间的相位进行检波，只有当同频同相信号输入时，为全波整流且输出最大。 2.系统总体设计 本系统总体框图如图1所示，系统由接收信号预处理通道、参考信号预处理通道、相关器及输出电路组成，其中核心部件相关器，它包括开关乘法器和RC低通滤波器；其中加法器由同相放大电路构成，实现噪声与待测信号相加，使得信号淹没在噪声环境中，然后经过衰减器衰减约100倍，模拟接收方收到的信号，并送入以相敏检波器为核心的微弱信号检测电路。参
微弱信号检测电路实验报告 课程名称：微弱信号检测电路 专业名称：电子与通信工程＿＿＿年级：＿＿＿＿＿＿＿ 学生姓名：＿＿＿＿＿＿ 学号：＿＿＿＿＿ 任课教师：＿＿＿＿＿＿＿
微弱信号检测装置 摘要：本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下，识别出已知频率的微弱正弦波信号，并将其放大。该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路组成。其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路完成微小信号的检测。本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过比较器产生方波去驱动开关乘法器CD4066，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号。经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。 关键词：微弱信号检测锁相放大器相敏检测强噪声
1系统设计 1.1设计要求 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。整个系统的示意图如图1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。 图1 微弱信号检测装置示意 （1）基本要求 ①噪声源输出V N的均方根电压值固定为1V±0.1V；加法器的输出V C =V S+V N，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R i≥1 MΩ。 ③当输入正弦波信号V S 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 ①当输入正弦波信号V S 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V S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V S 的幅度等）。
基于DSP的微弱信号检测采集系统设计 通常所用的数据采集系统，其采样对象都为大信号，即有用信号幅值大于噪声信号。但在一些特殊的场合，采集的信号很微弱，其幅值只有几个μV，并且淹没在大量的随机噪声中。此种情况下，一般的采集系统和测量方法无法检测该信号。本采集系统硬件电路针对微弱小信号，优化设计前端调理电路，利用测量放大器有效抑制共模信号（包括直流信号和交流信号），保证采集数据的精度要求。针对被背景噪声覆盖的微弱小信号特性，采用简单的时域信号的取样积累平均方法，有利于减少算法实现难度。 DSP芯片因其具有哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期等特点，使其适合复杂的数字信号处理算法。本系统采用TI公司的TMS320C542作为处理器，通过外部中断读取ADC数据，并实现取样累加平均算法。 1. 取样积累平均理论 微弱信号检测（Weak Signal Detection）是研究从微弱信号中提取有用信息的方法。通过分析噪声产生的原因和规律，利用被测信号的特点和相干性，检测被背景噪声覆盖的有用信号。常用的微弱信号检测方法有频域信号的相干检测、时域信号的积累平均、离散信号的计数技术、并行检测方法。其中时域信号积累平均是常用的一种小信号检测方法。 取样是一种频率压缩技术，将一个高重复频率信号通过逐点取样将随时间变化的模拟量，转变成对时间变化的离散量的集合，从而可以测量低频信号的幅值、相位或波形。时域信号的取样积累方法是在信号周期内将时间分成若干间隔，在这些时间间隔内对信号进行多次测量累加。时间间隔的大小取决于要求恢复信号的精度。某一点的取样值都是信号和噪声
四川省大学生电子设计竞赛报告题目：微弱信号检测装置
微弱信号检测装置 【摘要】：为提取被噪声淹没的微弱信号，在分析了锁相放大器原理的基础上，采用基于AD630设计了一个双相位锁相放大器。实现了正弦信号的检测和显示，由于时间紧迫，AD采样显示的数值误差较大。 【关键词】：锁相放大器正交信号 AD630 MAX7490 一、方案设计与论证 图1 微弱信号检测装置示意图 1.1 微弱信号检测电路设计与方案 微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。常用的微弱信号检测方法有：匹配滤波、锁相放大、取样积分等。 方案1：匹配滤波法。使用窄带滤波器，滤掉带宽噪声只让窄带信号通过；此方案电路简单，但是，由于一般滤波器的中心频率不稳定，不能满足更高的滤除噪声的要求。 方案2：单通道锁相放大法。用AD630平衡调制解调芯片、移相器及低通滤波器构成锁相放大电路，基于信号的互相关原理，移相器输出的信号必须与被测信号同频同相，由于被测信号相位未知，需移相器逐步移相，实现较为复杂。 方案3：双通道锁相放大法。用两个AD630平衡调制解调芯片、两个低通滤波器做成双通道锁相放大器，就是被测信号与两个相互正交的信号分别相乘经低通滤波器再送入AD进行采样，这样不需考虑被测信号的相位。两路正交信号由74LS74构成的分频电路产生或由单片机产生。由于只需要直流分量，低通滤波器的截止频率可以低到几百赫兹。 综合考虑，我们采用方案3。 1.2 加法电路的设计与方案 加法电路要求正弦信号与噪声信号相加，并测量噪声的均方根值；因此加法电路的内部噪声越小越好。
方案1：普通加法器。用低噪声放大器OPA2227做一个普通的加法器，但此电路接有电阻电容，会产生附加噪声。 方案2：高性能加法器。用低噪声仪表放大器INA2134做一个高性能的加法器，有独立的共模抑制能力、增益误差、噪声和失真。 方案2虽然比方案1复杂，但引入的附加噪声比方案1小，因此选用方案2。 1.3 带通滤波器设计与方案 题目中给了一个带宽很宽的强噪声，要想进可能地滤掉噪声，需一个窄带带通滤波器。 方案1：采用OPA2227设计中心频率指定的有源带通滤波器。 方案2：采用OPA2227分别设计低通滤波器和高通滤波器，组成一个带通滤波器。 方案3：用MAX7490做程控带通滤波器，参考官方电路设计。 方案1设计的带通滤波器不满足中心频率在500Hz-2000Hz内变化的设计要求；方案2设计的带通滤波器带宽太宽，引入过多噪声容易造成太大的测量误差；因此采用方案3。 1.4 整体系统电路设计 整体系统框图如下： 图2 整体系统框图 二、理论分析与参数计算 2.1锁相放大器电路中的相关器原理 锁相放大电路中最重要的部分是相关器(PSD)部分，它是锁相放大电路的核心，起着至关重要的作用。相关器是相关函数的物理模型，是一种完成被测信号和参考信号互相关函数运算的电子线路，相关器又叫相敏检波器。
练习： 1、一个电阻R=1kΩ，用带宽为500kHz，增益为100dB的放大器进行测量时，输出噪声电压为多少？ 2、若系统的噪声带宽为100kHz，电阻R=1.0kΩ，问室温T=300K时，产生的热噪声电压是多少？ 3、计算某电阻R1两端的热噪声电压；当并联另一个电阻R2时，计算两个电阻并联时的热噪声电压均方根值。其中电阻R1=R2=1.0 kΩ，在温度为290K和10MHz频带内工作。 4、计算RC电路并联输出的热噪声电压。其中，电阻阻值1M ?，电容5pF，在室温30℃环境下工作。 5、有一个噪声指数为NI=-20dB的金属膜电阻，在5V直流电压作用下，试求10Hz~1KHz的过剩噪声有效值及过剩噪声功率谱密度。 6、碳膜电阻的阻值为10kΩ，噪声指数NI=-20dB，用在频率范围为10Hz~10KHz的电路中，电阻两端的直流压降为10V，求此电阻产生的总噪声电压。 7、级联噪声系数的计算P72 8、噪声系数和噪声温度的计算P73 9、典型的低噪声精密运算放大器OP27的额定值eN=3nV/√Hz，fce=2.7Hz，iN=0.4pA/ √Hz，fci=140Hz。试估计噪声电压En（0.1~100Hz）。 10、分别从物理角度和数学角度来解释锁定放大器中相关器是如何抑制噪声的？ 11、已知一个混有强随机噪声的弱正弦信号，试说明如何采用自相关检测的方法对该弱信号进行检测。 12、低噪声放大器设计中有哪几个重要环节？关键是哪一级？并说明如何使放大器噪声特性最佳。 13、在微弱信号检测中，如何正确处理系统的接地干扰？ 14、锁定放大器有哪几部分组成，它们的功能和特点如何？ 15、双极型晶体管的噪声主要有哪些？并说明每一种噪声的特点。 16、场效应晶体管的噪声主要有哪些？并说明每一种噪声的特点。 17、当与系统前置放大器连接的传感器不能利用串并联电阻来满足最佳源电阻匹配时，如何使用噪声匹配方法来改变等效输入电阻，达到最佳源电阻匹配？ 18、锁定放大器中相关器的传输性能及特点？ 19、锁定放大器的动态范围包括哪些？如何进行动态协调？ 20、锁定放大器的等效噪声带宽由哪些因素决定？
微弱信号检测装置（B题） 2014年520电子设计大赛 参赛选手：朱志炜，周杨灿，朱杏伟 指导老师：姜乃卓 摘要：本微弱信号检测装置信号通道由OPA228为前置放大器，AD707和OP27为主放大器，将微弱小信号放大，然后经过后级的带通滤波器以及GIC滤波器对放大后信号进行滤波，进一步减小噪声的影响；参考通道以LM353为方波发生器，将正弦波化为同频率相位可调的方波，接以CD4046锁相环和D触发器，输出0-270°四个不同相位的方波；信号通道和参考通道的信号会在相关器器中相乘，并把得到的半波积分为直流电平，最终通过ICL7107接数码管显示电平值，并可以调为显示微小信号的值。测试数据表明本设计具有非常高的准确度和极其强大的噪声抑制能力，工作性能稳定，成本低廉，控制方便，是一个优越而实用的设计方案。 关键字：微弱信号；相关检测；噪声抑制；锁相放大器 目录 一、设计目标 1、基本要求 2、发挥部分 二、系统方案 方案一 方案二 三、系统总体框图 四、理论分析与计算 1、前置放大器的噪声分析 2、信号通道的增益计算 3、相关器的理论分析及计算 4、锁相环路的分析计算 5、移相电路的分析计算
五、电路设计 1、信号通道设计 2、参考通道设计 3、相关器设计 4、显示电路设计 六、测试情况 1、测试仪器 2、衰减电路测试数据 3、放大器测试数据 4、带通滤波器及GIC滤波器测试结果 七、总结 八、参考文献 一、设计目标 设计一个微弱信号的检测装置 1、基本要求：
（1）设计和制作两个电压衰减器，要求衰减量分别为20dB和40dB。要求：衰减器的输入阻抗为50，衰减器的输出阻抗为 100。衰减器的输入信号频率范围为100Hz-10KHz。（2）实现对已知频率的微弱正弦输入信号幅度检测，要求：微弱正弦信号输入频率范围为100Hz-10KHz，幅度有效值范围为100uV-500uV，微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。 （3）检测的幅度有效值显示在数码管或者液晶显示屏上，要求显示精度达到小数点后面1位，显示时间不超过1分钟。 （4）设计一个白噪声和衰减后的输入正弦信号相叠加的加法电路，输入信号叠加白噪声后的信噪比在-20dB-0dB范围内连续可调。
微弱信号检测装置 四川理工学院刘鹏飞、梁天德、曾学明
摘要： 本设计以TI的Launch Pad为核心板，采用锁相放大技术设计并制作了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微弱正弦波信号的幅度值，并在液晶屏上数字显示出所测信号相应的幅度值。实验结果显示其抗干扰能力强，测量精度高。 关键词：强噪声；微弱信号；锁相放大；Launch Pad
Abstract: This design is based on the Launch Pad of TI core board, using a lock-in amplifier technique designed and produced a weak signal detection device, to measure the known frequency sine wave signal amplitude values of the weak in the high noise background, and shows the measured signal amplitude of the corresponding value in the liquid crystal screen. Test results showed that it has high accuracy and strong anti-jamming capability. Keywords: weak signal detection; lock-in-amplifier; Launch Pad
微弱信号检测装置 Prepared on 24 November 2020
微弱信号检测装置（B题） 2014年520电子设计大赛 参赛选手：朱志炜，周杨灿，朱杏伟 指导老师：姜乃卓 摘要：本微弱信号检测装置信号通道由OPA228为前置放大器，AD707和OP27为主放大器，将微弱小信号放大，然后经过后级的带通滤波器以及GIC滤波器对放大后信号进行滤波，进一步减小噪声的影响；参考通道以LM353为方波发生器，将正弦波化为同频率相位可调的方波，接以CD4046锁相环和D触发器，输出0-270°四个不同相位的方波；信号通道和参考通道的信号会在相关器器中相乘，并把得到的半波积分为直流电平，最终通过ICL7107接数码管显示电平值，并可以调为显示微小信号的值。测试数据表明本设计具有非常高的准确度和极其强大的噪声抑制能力，工作性能稳定，成本低廉，控制方便，是一个优越而实用的设计方案。 关键字：微弱信号；相关检测；噪声抑制；锁相放大器 目录 一、设计目标 1、基本要求 2、发挥部分 二、系统方案 方案一 方案二
三、系统总体框图 四、理论分析与计算 1、前置放大器的噪声分析 2、信号通道的增益计算 3、相关器的理论分析及计算 4、锁相环路的分析计算 5、移相电路的分析计算 五、电路设计 1、信号通道设计 2、参考通道设计 3、相关器设计 4、显示电路设计 六、测试情况 1、测试仪器 2、衰减电路测试数据 3、放大器测试数据 4、带通滤波器及GIC滤波器测试结果 七、总结 八、参考文献 一、设计目标 设计一个微弱信号的检测装置 1、基本要求：
（1）设计和制作两个电压衰减器，要求衰减量分别为20dB和40dB。要求：衰减器的输入阻抗为50，衰减器的输出阻抗为100。衰减器的输入信号频率范围为100Hz-10KHz。 （2）实现对已知频率的微弱正弦输入信号幅度检测，要求：微弱正弦信号输入频率范围为100Hz-10KHz，幅度有效值范围为100uV-500uV，微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。 （3）检测的幅度有效值显示在数码管或者液晶显示屏上，要求显示精度达到小数点后面1位，显示时间不超过1分钟。 （4）设计一个白噪声和衰减后的输入正弦信号相叠加的加法电路，输入信号叠加白噪声后的信噪比在-20dB-0dB范围内连续可调。 信噪比定义：， 正弦信号功率为：其中表示正弦信号的有效值。 白噪声信号功率为：其中表示白噪声信号的有效值。 表示加法电路的输入阻抗。 （5）当微弱正弦信号输入信号的幅度有效值为1mV-5mV，信噪比在-20dB 时，要求对输入微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。 2、发挥部分： （1）实现对固定频率的微弱正弦输入信号幅度检测，要求：微弱正弦信号输入频率分别为1KHz，5KHz，10KHz时，幅度有效值范围为10uV-50uV时，微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。 （2）当微弱正弦信号输入信号的幅度有效值为100uV-500uV，信噪比在-20dB 时，要求对输入微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。 二、系统方案 对于参考通道和相关器部分，拟采用题目所介绍使用的CD4046和CD4066两款芯片来做，对于信号通道，有不同的可采用方案。
微弱信检测装置 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-
微弱信号检测装置（B题） 2014年520电子设计大赛 参赛选手：朱志炜，周杨灿，朱杏伟 指导老师：姜乃卓
摘要：本微弱信号检测装置信号通道由OPA228为前置放大器，AD707和OP27为主放大器，将微弱小信号放大，然后经过后级的带通滤波器以及GIC滤波器对放大后信号进行滤波，进一步减小噪声的影响；参考通道以LM353为方波发生器，将正弦波化为同频率相位可调的方波，接以CD4046锁相环和D触发器，输出0-270°四个不同相位的方波；信号通道和参考通道的信号会在相关器器中相乘，并把得到的半波积分为直流电平，最终通过ICL7107接数码管显示电平值，并可以调为显示微小信号的值。测试数据表明本设计具有非常高的准确度和极其强大的噪声抑制能力，工作性能稳定，成本低廉，控制方便，是一个优越而实用的设计方案。 关键字：微弱信号；相关检测；噪声抑制；锁相放大器
目录 一、设计目标 1、基本要求 2、发挥部分 二、系统方案 方案一 方案二 三、系统总体框图 四、理论分析与计算 1、前置放大器的噪声分析 2、信号通道的增益计算 3、相关器的理论分析及计算 4、锁相环路的分析计算 5、移相电路的分析计算 五、电路设计 1、信号通道设计 2、参考通道设计 3、相关器设计 4、显示电路设计 六、测试情况 1、测试仪器 2、衰减电路测试数据
3、放大器测试数据 4、带通滤波器及GIC滤波器测试结果 七、总结 八、参考文献 一、设计目标 设计一个微弱信号的检测装置 1、基本要求： （1）设计和制作两个电压衰减器，要求衰减量分别为20dB和40dB。要求：衰减器的输入阻抗为50，衰减器的输出阻抗为100。衰减器的输入信号频率范围为100Hz-10KHz。 （2）实现对已知频率的微弱正弦输入信号幅度检测，要求：微弱正弦信号输入频率范围为100Hz-10KHz，幅度有效值范围为100uV-500uV，微弱正弦信号幅度有效值检测误差不超过10%。
微弱信号检测采集系统设计 通常所用的数据采集系统，其采样对象都为大信号，即有用信号幅值大于噪声信号。但在一些特殊的场合，采集的信号很微弱，其幅值只有几个μV，并且淹没在大量的随机噪声中。此种情况下，一般的采集系统和测量方法无法检测该信号。本采集系统硬件电路针对微弱小信号，优化设计前端调理电路，利用测量放大器有效抑制共模信号（包括直流信号和交流信号），保证采集数据的精度要求。针对被背景噪声覆盖的微弱小信号特性，采用简单的时域信号的取样积累平均方法，有利于减少算法实现难度。 DSP芯片因其具有哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期等特点，使其适合复杂的数字信号处理算法。本系统采用T I公司的TMS320C542作为处理器，通过外部中断读取ADC数据，并实现取样累加平均算法。 1. 取样积累平均理论 微弱信号检测（Weak Signal Detection）是研究从微弱信号中提取有用信息的方法。通过分析噪声产生的原因和规律，利用被测信号的特点和相干性，检测被背景噪声覆盖的有用信号。常用的微弱信号检测方法有频域信号的相干检测、时域信号的积累平均、离散信号的计数技术、并行检测方法。其中时域信号积累平均是常用的一种小信号检测方法。 取样是一种频率压缩技术，将一个高重复频率信号通过逐点取样将随时间变化的模拟量，转变成对时间变化的离散量的集合，从而可以测量低频信号的幅值、相位或波形。时域信号的取样积累方法是在信号周期内将时间分成若干间隔，在这些时间间隔内对信号进行多次测量累加。时间间隔的大小取决于要求恢复信号的精度。某一点的取样值都是信号和噪声 若要恢复的信号逼近真实信号，重复采样的次数越多越好，取样时间间隔必须要短。m的值越大及重复的次数越多，信号恢复的真实性越好。由于各方面的限制（如存储器位数的制约），不可能做到任意多次的重复。 2.系统硬件设计 整个数据采集系统硬件电路包括前端调理电路和数据采集电路两大部分。前端调理电路主要功能是消除共模干扰，对微弱小信号进行放大、滤除、差分输出，经双绞线传输至数据采集电路。数据采集电路完成数据采集并完成积累平均算法。 2.1前端调理电路设计 前端调理电路由测量放大器、4阶贝塞尓低通滤波器、差分输出放大器构成（如图1所示）。
微弱信号检测装置（A题） 摘要 本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，用来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。该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路和显示电路完成微小信号的检测和显示在液晶屏上。本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过比较器产生方波去驱动开关乘法器CD4053，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号，将该直流信号送入单片机处理后，液晶显示出来。经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。 关键词：微弱信号强噪声相敏检测
1系统方案 1.1方案论证与比较 1.1.1 微信号检测电路 方案一：采用滤波电路检测微小信号，通过滤波电路将微小信号从强噪声中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，所以该方案不可行。 方案二：采用取样积分电路检测小信号，利用取样技术，在重复信号出现的期间取 样，并重复N倍，但这种方法取样效率低，不利于 重复频率的信号恢复。 方案三：采用锁相放大器检测小信号，锁相放大器由信号通道、参考通道、和相敏检波器等组成，其中相敏检波器（PSD）是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有很好的检波特性。由于该测试信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适合于锁相放大器的工作情况，故选择方案三。 1.1.2移相网络设计 因为检测电路选择了锁相放大器，而移相网络是锁相放大器中的一部分，在此进行分析。 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度，所以通过设计两级滤波则可使移相范围达到360度。 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，合起来即实现了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。 方案一与方案二相比，电路简单可靠，且方案二增加了电路的复杂度，成本也很高。故选择方案一。 1.2总体方案论述 综上所述，本系统总体框图如图1所示，系统由加法器、衰减器、前置放大电路、带通滤波器、同相电路、反相电路、移相器、开关电路和低通滤波器构成；其中由同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，使得信号湮灭在噪声中，然后经过衰减器衰减100倍以上，送到由放大电路、带通滤波、同相、反相、移相、比较和低通滤波器构成微信号检测电路中。本系统以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相电路和比较器输出方波驱动开关管乘法器，输出直流信号然后通过单片机A/D转换，最后在液晶上显示出来。
2012年8月8日 摘要 本设计采用TI公司的AD630作为作为整个系统的核心，先通过一个反向加法器将输入的微弱信号和1v左右的强噪声结合，然后经过纯电阻网络衰减，再通过前置放大OPA2134负反馈运放，将加法后的混合信号放大接给微弱信号检测电路，再通过AD630检波和低通滤波电路，将噪声滤除，最后输出微弱信号，通过A/D模块将采样后信号传送给单片机，由单片机控制液晶的输出。OPA2134，OPA2227采用双电源供电，电压范围+2.5V~+18V之间，采用开关双电源+15V供电，单片机模块电路采用USB 5V供电，液晶电压有单片机供给。经测试，系统性能稳定，精度达到题目要求。
目录 一、系统方案 (1) 1.方案的比较与选择 (1) 1.1加法器方案 (1) 1.2纯电阻分压网络 (1) 1.3微弱信号检测电路 (1) 1.4显示电路方案 (2) 1.5总体思路 (2) 二、系统理论分析与计算 (3) 2.1加法器的分析 (3) 2.2衰减电路的分析 (3) 2.3前置放大分析 (3) 2.4微弱信号检测输入阻抗分析 (4) 三、电路与程序设计 (4) 3.1电路设计 (4) 3.2电源模块 (4) 3.3加法器模块 (5) 3.4衰减与前置放大模块 (5) 3.5 AD630锁相检测模块 (5) 3.6 滤波模块 (6) 3.7显示模块 (6) 四、测试方案与测试结果 (7) 4.1测试方案及测试条件 (7)
4.2测试结果完整性 (7) 4.3测试结果分析 (7) 五、总结展望 (7) 附录1：电路原理图 (8) 附录2：实物图 (8) 附录2：液晶调试程序 (9) 微弱信号检测电路（A题） 【本科组】 一、系统方案 1．1、加法器方案 加法器选用运放OPA2134的一个运放搭建反向放大器，有“虚短”、“虚断”，可实现两个模拟信号的叠加。 1.2纯电阻分压网络 纯电阻分压网络采用电阻分压，纯电阻衰减避免引入多余的噪声源，本设计采用2.4k与20V两电阻分压形式分压 1.3微弱信号检测电路 方案一：滤波法。滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。 方案二：锁相放大法。锁相放大是利用待测信号和参考信号的相互关检测原理来实现对信号的窄带化处理，能够有效的抑制噪声，实现对信号的检测方案三：取样积分法。取样积分法是近代物理实验室中测量噪声中微弱周期，重复信号的一种有力方法，通常我们可以设想用压缩带宽高低通滤波器的办法来达到此目的。 对以上三种方案进行比较，方案一在低频段时，RC滤波电路的输出波动很大，难以达到要求的相位精度，而方案二能够有效抑制噪声，符合要求。采用方案三由于数据过于繁琐，操作麻烦，且必须采集到众多的数据才能体现出此法的优越性。经过比较，锁相放大法更具有优越性，所以采用锁相放大法。