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。
锁相放大电路图
微弱信号检测由三部分组成：前置放大、AD630整流模块，滤波电路组成。前置放大主要针对微弱信号的振幅不满足理想放大的输入信号尽可能大的条件进行的设计。
AD630锁相环放大模块具有极高的放大倍数，当有辅助前置放大器，增益可达101l(即220dB)，能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差，满刻度灵敏度达pV、nV甚至于pV量级。同时，采用的锁相放大滤波电路具有AD630用于锁相放大电路中，等效于两片运放和开关时乘法器集合在了一个芯片内，实现了高精度解调。
低通滤波电路由一个运放OPA2227组成，当微弱的信号从检波模块里出来，会带有高频的噪声信号，利用低通滤波器即可将低频的有用信号滤出来，除去高频部分的噪声。
1.4显示电路方案
方案一：采用八段数码管显示。由于要求显示设定值和测量值，需要显示的值比较多。采用LED 数码管需要用动态扫描，占用资源比较多。整个显示界面显得不太友好。
方案二：采用LCD1602A液晶显示器
1602A液晶显示器是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式LCD。它能显示16*2的字符，即可显示两行，每行16个字符。模块最佳工作电压5V，此时工作电流为2.0mA。1602A液晶显示器显示质量高，体积小，重量轻，功耗低。液晶显示是字符式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。本系统要显示的数据信息量大，要直观，出于系统要求，采用方案二1602A液晶显示器。
1.5、总体方案描述
（1）总体思路
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。
（2）系统工作流程框图（如图1）
二、理论分析与计算
2.1加法器分析
如图：
设3端口输入为V1，四端口输入
为V2，输出为Vo，
由虚短虚断知：
V1/R1+V2/R2=Vo/Rf
取R1=R2=Rf=2k，则Vo=V1+V2，
则实现了加法器的功能
2.2衰减器的分析
设输入信号为Vo，输出为Vp经过简单的分压网络知
Vo*R4/(R3+R4)=Vp
取R3=2.4k,R4=0.02k
则Vp=Vo/121，即Vo衰减了121倍，实现衰减系数大于100
2.3前置放大分析
如右图，衰减后的信号经过8脚输进反向放大器，由
虚短虚断知：
Vo/Rf=Vs/R5
取R5=0.02k，R6=2.4k，得
Vo=Vs*Rf/R5=121Vs,即实现了放大功能
2.4微弱信号检测输入阻抗分析
由戴维南定理知：
任一含源线性时不变一端口网络对外可用一条电压源与一阻抗的串联支路来等效地加以置换，此电压源的电压等于一端口网络的开路电压，此阻抗等于一端口网络内全部独立电源置零后的输入阻抗。
故用万用表现测微弱信号检测输入端口电压值为V，输入电路电流为I，
则输入阻抗Z=V/I
三、电路与程序设计
3.1电路设计
3.2电源模块
电源由变压器220伏转12伏，然后经过桥式整流，在引出旁路电容滤波，在接到四块稳压芯片7805,7905,7815,7915，在通过电容滤波，最后输出实现双开关电源+5V+18V。
加法器由ＯＰＡ２２２７组成的加法器
3.4衰减与前置放大模块
衰减电路由两个电阻组成的衰减网络
前置放大有OPA2227组成的负反馈电路3.5 AD630锁相检测模块
AD630用于锁相放大电路中，等效于两片运放和开关时乘法器集合在了一个芯片内，实现
了高精度解调。OPA2134pa是高性能音频运放。AD630内部集成运放，可实现检波功能，
3.6 低通滤波器模块
低通滤波器的原理是利用信号的周期性和噪声的随机性的差别，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的一种技术。微弱信号检测电路中包含带通滤波器与衰减器，将经过前置放大电路放大的正弦波进行衰减，还原成刚输入的正弦波，最终在示波器上面显示原有的正弦波。要达到这一效果，此时的衰减器的衰减系数必须与前置放大电路的放大系数之积刚好为1。
滤波模块由OPA2227组成
3.7显示模块
液晶选用LCD1602，电源由单片机提供，信号从单片机输出，调试程序见附录。
四、测试方案与测试结果
4.1测试方案及测试条件
1、测试环境
时间：2012年8月7日
温度：25C0
2、测试仪器
（1）FLUKE17B多功能数字万用表
（2）数字示波器TDS1002
（3）CA164OP－20型函数发生器/计数器
3、测试方法
搭好硬件电路，利用示波器输入200mv~500mv，噪声源输入均方根值为1V+0.1，观察并记录信号的幅值，频率，测试点有信号源输入信号Vs，噪声Vn，叠加后的输出电压均方根值V1，衰减后的电压为V2，输入阻抗Z（微弱信号检波电路的输入端口电压和电流），最后电路输出的Vo
4.2测试结果完整性
记录的数据如下：
Vs Vn V1 V2 Vz Iz Vo
第一组300mv 980mv 1.2v 9.3mv 1.22v 0.12uA 287mv
第二组300mv 1.06 1.26v 10.0 1.32v 0.14uA 277mv
第三组500mv 1.02 1.6v 12.33mv 1.70v 0.16uA 467mv
4.3测试结果分析
能够保持噪声源噪声源输出V N的均方根电压值固定为1V 0.1V；加法器的输出约等于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。当输入正弦波信号V S 的频率在100Hz~10kHz范围内、幅度峰峰值在20mV
~200mV范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，误差不超过5%。检测误差未超过2%。当输入正弦波信号V S 的频率在100Hz~10kHz范围内时，进一步降低V S 的幅度，检测并显示正弦波信号的幅度值，误差大约2%。
五、总结展望
通过这几天的日夜奋战，在大家的同心协力下，终于在规定时间内完成作品。这次我们做的是微弱信号检测电路，在做的几天里，我深深体会到了调试的重要性。做东西不仅仅专注于设计，更重要的设计完后的调试，在调试里，我发现了很多理论学习的盲点。这次设计我们基本上是自己布线焊接，导致精度变差在所难免，我们旨在学习，如有错误缺陷，恳请各位专家、老师批评指正！
附录1：电路原理图
附录2：实物图
附录3 液晶调试程序
#include
/*****************************************************
???ú?¨ò?
****************************************************/
#define LCD_EN_PORT P1OUT //ò???2??òaéè?aí?ò????ú p1 port as en and rs #define LCD_EN_DDR P1DIR
#define LCD_RS_PORT P1OUT //ò???2??òaéè?aí?ò????ú
#define LCD_RS_DDR P1DIR
#define LCD_DATA_PORT P2OUT //ò???2??òaéè?aí?ò????ú p2 as data port #define LCD_DATA_DDR P2DIR
#define LCD_RS BIT6
#define LCD_EN BIT7
#define LCD_DATA 0xFF
void LCD_init_first(void);
void LCD_write_command(unsigned char command);
void LCD_write_data(unsigned char data);
void Clock_Init();
void LCD_CLR();
void LCD_display(unsigned char addr ,unsigned char * xs);
void LCD_lr(void);
void delay_nms(unsigned int n);
int main(void)
{
void Clock_Init(); //?μí3ê±?ó3?ê??ˉ
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // 1?±??′??1·
unsigned char a[6] = "";
unsigned char * pa = a;
double c,data;
int da;
LCD_init_first(); //LCD3?ê??ˉéè??
LCD_lr(); //LCD??ê?
ADC10CTL0 = SREF_1 + ADC10SHT_2 + REFON + ADC10ON + ADC10IE +
REF2_5V;//SREF_1+REFON+REF2_5V±íê?ê1ó??ú2?2???μ??12.5v
__enable_interrupt();
TACCR0 = 30;
TACCTL0 |= CCIE; // Compare-mode interrupt.
TACTL = TASSEL_2 | MC_1; // TACLK = SMCLK, Up mode.
LPM0; // Wait for delay.
TACCTL0 &= ~CCIE; // Disable timer Interrupt
__disable_interrupt();
ADC10CTL1 = INCH_1; // input A1
ADC10AE0 |= 0x02; // PA.1 ADC option select
while(1)
{
ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; // Sampling and conversion start __bis_SR_register(CPUOFF + GIE); // LPM0, ADC10_ISR will force exi
da = ADC10MEM;
data = ((double)da/1024)*2.5;
c =data;
a[0]=((int)c%10+0x30);
a[1]=0x2e;
a[2]=((int)(c*10)%10+0x30);
a[3]=((int)(c*100)%10+0x30);
a[4]=((int)(c*1000)%10+0x30);
a[5]='\0';
delay_nms(10); //?óê±??ê?
LCD_display(0x80 + 0x09,pa);
}
}
#pragma vector=ADC10_VECTOR
__interrupt void ADC10_ISR (void)
{
__bic_SR_register_on_exit(CPUOFF); // Clear CPUOFF bit from 0(SR) }
#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR
__interrupt void ta0_isr(void)
{
TACTL = 0;
LPM0_EXIT; // Exit LPM0 on return
}
void Clock_Init()
{
unsigned char i;
BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ; // Set range
DCOCTL = CALDCO_8MHZ; // Set DCO step + modulation
do{
IFG1&=~OFIFG; //??3y?eμ′±ê??
for(i=0;i<10;i++)
_NOP(); //?óê±μè′y
}
while((IFG1&OFIFG)!=0); //è?1?±ê???a1￡??ò?ìD??-?·μè′y
IFG1&=~OFIFG;
}
void LCD_init_first(void)
{
LCD_EN_DDR |= LCD_EN;
LCD_EN_PORT &= ~LCD_EN;
delay_nms(3);
LCD_write_command(0x38); //éè??16*02??ê?￡?5*7μ??ó￡?8??êy?Y?ó?ú LCD_write_command(0x0c); //éè???a??ê?￡? 2???ê?1a±ê
LCD_write_command(0x06); //D′ò???×?·?oó￡?μ??·?????óò?
void LCD_CLR(); //òo?§???á
}
/*********************************************
òo?§???á
**********************************************/
void LCD_CLR()
{
LCD_write_command(0x01);
delay_nms(3);
}
void LCD_write_command(unsigned char command)
{
LCD_EN_DDR |= LCD_EN; //éè??EN·??ò?aê?3?
LCD_RS_DDR |= LCD_RS; //éè??RS·??ò?aê?3?
LCD_DATA_DDR |=LCD_DATA; //êy?Y?ú·??ò?aê?3?
P2SEL = 0x00; //p2 is registered as i/o
LCD_RS_PORT &= ~LCD_RS; //RS=0 command register open
LCD_DATA_PORT = command ;
LCD_EN_PORT |= LCD_EN;
delay_nms(3);
LCD_EN_PORT &= ~LCD_EN;
void LCD_write_data(unsigned char data)
{
LCD_EN_DDR |= LCD_EN; //éè??EN·??ò?aê?3?
LCD_RS_DDR |= LCD_RS; //éè??RS·??ò?aê?3?
LCD_DATA_DDR |=LCD_DATA; //êy?Y?ú·??ò?aê?3?
P2SEL = 0x00;
LCD_RS_PORT |= LCD_RS; //RS=1
LCD_EN_PORT |= LCD_EN; //OPEN LCD EN PORT
LCD_DATA_PORT = data;
delay_nms(3);
LCD_EN_PORT &= ~LCD_EN; //CLOSE LCD EN PORT
}
void LCD_display(unsigned char addr ,unsigned char * xs) {
LCD_write_command(addr);
do
{
delay_nms(3);
LCD_write_data(*xs++);
}
while(*xs);
}
void LCD_lr(void)
{
LCD_display(0x80,"Voltage: V");
LCD_display(0x80+0x40,"WE CAN PLAY!!!");
delay_nms(3);
}
void delay_nms(unsigned int n)
{
unsigned int i=0,j=0;
for (i=0;i for(j=0;j<25;j++); } 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。 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。 微弱信号相关检测 前言 随着现代科学研究和技术的发展，人们越来越需要从强噪声中检测出有用的微弱信号，于是逐渐形成了微弱信号检测这门新兴的科学技术学科，其应用范围遍及光学、电学、磁学、声学、力学、医学、材料等领域。微弱信号检测技术是利用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比，从而提取有用信号。微弱信号检测所针对的检测对象，是用常规和传统方法不能检测到的微弱量。对它的研究是发展高新技术，探索及发现新的自然规则的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要的应用价值。 目前，微弱信号检测的原理、方法和设备已经成为很多领域中进行现代科学技术研究不可缺少的手段。显然，对微弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一大热点。 1.概述 微弱信号是测量技术中的一个综合性技术分支，它利用电子学，信息论和物理论的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检测并恢复被背景噪声所掩盖的微弱信号，微弱信号的检测重点是如何从强噪声中提取有用信号，探测运用新技术和新方法来提高检测系统中的信噪比。 在检测淹没在背景噪声中的微弱信号时，必须对信号进行放大，然而由于微弱信号本身的涨落，背景和放大器噪声的影响，测量灵敏度会受到限制。因此，微弱信号的检测有以下三个特点：（1）需要噪声系数尽量小的前置放大器，并根据源阻抗与工作频率设计最佳匹配（2）需要研制适合微弱信号检测原理并能满 《微弱信号检测技术》练习题 1、证明下列式子： （1）R xx(τ)=R xx(-τ) （2）∣ R xx(τ)∣≤R xx(0) （3）R xy(-τ)=R yx(τ) （4）| R xy(τ)|≤[R xx(0)R yy(0)] 2、设x(t)是雷达的发射信号，遇目标后返回接收机的微弱信号是αx(t-τo)，其中α?1，τo是信号返回的时间。但实际接收机接收的全信号为y(t)= αx(t-τo)+n(t)。 （1）若x(t)和y(t)是联合平稳随机过程，求Rxy(τ)； （2）在（1）条件下，假设噪声分量n(t)的均值为零且与x(t)独立，求Rxy(τ)。 3、已知某一放大器的噪声模型如图所示，工作频率f o=10KHz，其中E n=1μV，I n=2nA，γ=0，源通过电容C与之耦合。请问：（1）作为低噪声放大器，对源有何要求？（2）为达到低噪声目的，C为多少？ 4、如图所示，其中F1=2dB，K p1=12dB，F2=6dB，K p2=10dB，且K p1、K p2与频率无关，B=3KHz，工作在To=290K，求总噪声系数和总输出噪声功率。 5、已知某一LIA的FS=10nV，满刻度指示为1V，每小时的直流输出电平漂移为5?10-4FS；对白噪声信号和不相干信号的过载电平分别为100FS和1000FS。若不考虑前置BPF的作用，分别求在对上述两种信号情况下的Ds、Do和Di。 6、下图是差分放大器的噪声等效模型，试分析总的输出噪声功率。 7、下图是结型场效应管的噪声等效电路，试分析它的En-In模型。 8、R1和R2为导线电阻，R s为信号源内阻，R G为地线电阻，R i为放大器输入电阻，试分析干扰电压u G在放大器的输入端产生的噪声。 9、如图所示窄带测试系统，工作频率f o=10KHz，放大器噪声模型中的E n=μV，I n=2nA，γ=0，源阻抗中R s=50Ω，C s=5μF。请设法进行噪声匹配。(有多种答案) 10、如图所示为电子开关形式的PSD，当后接RC低通滤波器时，构成了锁定放大器的相关器。K为电子开关，由参考通道输出Vr的方波脉冲控制：若Vr正半周时，K接向A；若Vr 负半周时，K接向B。请说明其相敏检波的工作原理，并画出下列图(b)、(c)和(d)所示的已知Vs和Vr波形条件下的Vo和V d的波形图。 1213225 王聪 微弱信号检测技术概述 在自然现象和规律的科学研究和工程实践中, 经常会遇到需要检测毫微伏量级信号的问题, 比如测定地震的波形和波速、材料分析时测量荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及电信号测量等, 这些问题都归结为噪声中微弱信号的检测。在物理、化学、生物医学、遥感和材料学等领域有广泛应用。微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法, 分析噪声产生的原因和规律, 研究被测信号的特点和相关性, 检测被噪声淹没的微弱有用信号。微弱信号检测的宗旨是研究如何从强噪声中提取有用信号, 任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术, 从而将其应用于各个学科领域当中。微弱信号检测的不同方法 ( 1) 生物芯片扫描微弱信号检测方法 微弱信号检测是生物芯片扫描仪的重要组成部分, 也是生物芯片技术前进过程中面临的主要困难之一, 特别是在高精度快速扫描中, 其检测灵敏度及响应速度对整个扫描仪的性能将产生重大影响。 随着生物芯片制造技术的蓬勃发展, 与之相应的信号检测方法也迅速发展起来。根据生物芯片相对激光器及探测器是否移动来对生物芯片进行扫读, 有扫描检测和固定检测之分。扫描检测法是将激光器及共聚焦显微镜固定, 生物芯片置于承片台上并随着承片台在X 方向正反线扫描和r 方向步进向前运动, 通过光电倍增管检测激发荧光并收集数据对芯片进行分析。激光共聚焦生物芯片扫描仪就是这种检测方法的典型应用, 这种检测方法灵敏度高, 缺点是扫描时间较长。 固定检测法是将激光器及探测器固定, 激光束从生物芯片侧向照射, 以此解决固定检测系统的荧光激发问题, 激发所有电泳荧光染料通道, 由CCD捕获荧光信号并成像, 从而完成对生物芯片的扫读。CCD 生物芯片扫描仪即由此原理制成。这种方法制成的扫描仪由于其可移动, 部件少, 可大大减少仪器生产中的失误, 使仪器坚固耐用; 但缺点是分辨率及灵敏度较低。根据生物芯片所使用的标记物不同, 相应的信号检测方法有放射性同位素标记法、生物素标记法、荧光染料标记法等。其中放射性同位素由于会损害研究者身体, 所以这种方法基本已被淘汰; 生物素标记样品分子则多用在尼龙膜作载体的生物芯片上, 因为在尼龙膜上荧光标记信号的信噪比较低, 用生物素标记可提高杂交信号的信噪比。目前使用最多的是荧光标记物, 相应的检测方法也最多、最成熟, 主要有激光共聚焦显微镜、CCD 相机、激光扫描荧光显微镜及光纤传感器等。 ( 2) 锁相放大器微弱信号检测 常规的微弱信号检测方法根据信号本身的特点不同, 一般有三条途径: 一是降低传感器与放大器的固有噪声, 尽量提高其信噪比; 二是研制适合微弱检测原理并能满足特殊需要的器件( 如锁相放大器) ;三是利用微弱信号检测技术, 通过各种手段提取信号, 锁相放大器由于具有中心频率稳定, 通频带窄,品质因数高等优点得到广泛应用。常用的模拟锁相放大器虽然速度快, 但是参数稳定性和灵活性差, 而且在与微处理器通信时需要转换电路; 传统数字锁相放大器一般使用高速APDC 对信号进行高速采样, 然后使用比较复杂的算法进行锁相运算, 这对微处理器的速度要求很高。现在提出的新型锁相检测电路是模拟和数字处理方法的有机结合, 这种电路将待测信号和参考信号相乘的结果通过高精度型APDC 采样, 《微弱信号检测与放大》 摘要：微弱信号常常被混杂在大量的噪音中 ,改善信噪比就是对其检测的目的，从而恢复信号的幅度。因为信号具备周期性、相关性,而噪声具有随机性，所以采用相关检测技术时可以把信号中的噪声给排除掉。在微弱信号检测程中，一般是通过一定的传感器将许多非电量的微小变化变换成电信号来进行放大再显示和记录的。由于这些微小变化通过传感器转变成的电信号也十分微弱，可能是VV甚至V或更少。对于这些弱信号的检测时，噪声是其主要干扰，它无处不在。微弱信号检测的目的是利用电子学的、信息论的和物理学的方法分析噪声的原因及其统计规律研究被检测量信号的特点及其相干性利用现代电子技术实现理论方法过程，从而将混杂在背景噪音中的信号检测出来。 关键词：微弱信号；检测；放大；噪声 1前言 测量技术中的一个综合性的技术分支就是微弱信号检测放大，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。这门技术研究的重点是如何从强噪声中提取有用信号，从而探索采用新技术和新方法来提高检测输出信号的信噪比。 微弱信号检测放大目前在理论方面重点研究的内容有： a.噪声理论和模型及噪声的克服途径； b.应用功率谱方法解决单次信号的捕获； c.少量积累平均，极大改善信噪比的方法； d.快速瞬变的处理； e.对低占空比信号的再现； f.测量时间减少及随机信号的平均； g.改善传感器的噪声特性； h.模拟锁相量化与数字平均技术结合。 2.微弱信号检测放大的原理 微弱信号检测技术就是研究噪声与信号的不同特性，根据噪声与信号的这些特性来拟定检测方法，达到从噪声中检测信号的目的。微弱信号检测放大的关键在于抑制噪声恢复、增强和提取有用信号即提高其信噪改善比SNIR 。根据下式信噪改善比（SNIR）定义 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 利用相关法进行微弱信号检测 目录 引言 (1) 1、基本理论 (1) 1、1相关函数及其性质 (1) 1、1、1自相关函数及其性质 (1) 1、1、2互相关函数及其性质 (2) 1、2相关法恢复谐波信号 (2) 2、相关法Matlab实现 (3) 2、1信号图 (3) 2、2相关法恢复谐波噪声的程序： (4) 3、实例：用相关分析法确定深埋地下的输油管裂损位置 (7) 3、1程序 (8) 3、2信号图 (8) 3、3小结 (8) 引言 微弱信号检测技术是近年来迅速发展起来的，运用结合电子学、信息论和物理学方法的一种信号处理技术。微弱信号检测通过分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计性及其特异性，并采用一系列的信号处理电路或方法，检测出被背景噪声覆盖的微弱信号。目前微弱信号检测技术被广泛应用于医疗行业的疾病诊断、军事国防的侦探和定位、农业中的智能果园以及病虫害防治、工业中的自动控制等领域。传统的微弱信号检测与处理方法是使用放大电路和滤波电路对被测信号进行放大和滤波处理，但是被测信号经放大器进行放大的同时噪声也被放大，致使获取的信号信噪比较低，因而传统的检测技术无法实现对微弱信号的检测。 在实际应用中常见的微弱信号检测方法有：锁定放大、取样积分、相关算法、自适应等。本文将采用相关算法中函数的自相关与互相关进行去噪。相关检测利用相关原理，通过自相关和互相关运算, 找出信号两部分之间或两个信号之间的关系并根据相关性进行检测和提取。利用相关检测技术, 可以判断随机信号中是否含有周期分量进行弱信号提取和速度测量等。恢复被噪声污染的信号要比检测噪声中已知信号的有无更为复杂。如果被噪声覆盖的信号只出现了一次，而不是重复出现，那么取样积分和数字式平均方法就不能用来恢复信号，在这种情况下，相关方法就显得有用。 1、基本理论 期望、方差是信号的常用特征量, 但是它们描述的只是信号在某一个时刻之前的所有时刻的统计特性, 而不能反映出不同时刻各数值之间的内在联系。2个平稳随机信号虽然具有相同的期望和方差, 但它们之间的变化规律可能存在较大的差别, 如一个信号随时间变化缓慢, 在不同时刻的取值关系密切, 相关性强; 而另一个信号随时间变化剧烈, 在不同时刻的取值关系松散, 相关性弱。此时, 就要用到信号的另一个重要特征量, 即相关函数。 1、1相关函数及其性质 1、1、1自相关函数及其性质 自相关函数描述了信号本身在一个时刻的瞬时值与另一个时刻的瞬时值之间的依赖关系。在信息分析中，通常将自相关函数称之为自协方差方程。 用来描述信息在不同时间的，信息函数值的相关性。白噪声，自相关函数=0 假设x(t) 是某个各态历经平稳随机过程的一个样本, 为了估计x(t) 在t 时刻的取值和在t+τ时刻取值联系的紧密性, 可以在观察时间T 上对2个取值的乘积作平均运算, 然后取极限就可以得到x(t) 的自相关函数 /2 /2 ()()()1 T T R x t x t dt Lim T ττ-=-? 龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/d917649972.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 学校代码： 11059 学号： Hefei University 毕业设计（论文）BACH ELOR DISSERTATION 论文题目：基于PWM调制的微弱信号检测 学位类别：工学学士 年级专业： 作者姓名：孙悟空 导师姓名： 完成时间： 2015年5月8号 中文摘要 工程设计领域中在强噪声环境下对微弱信号的检测始终是个技术难点。因此，全面地去研究、分析微弱信号在时域、频域等方面的特点，以及微弱信号的检测技术，都非常重要且有意义的。 本文首先介绍了在电子设备中元器件内部因为载流粒子的运动及外部因素导致系统噪声产生的原理。阐述了在分析研究微弱信号的方法中，时域分析法是目前应用范围最为广泛的分析方法，比如短时Fourier、小波变换。在此基础上，本文从工程设计的角度重点分析了PWM技术检测微弱信号的原理及实现的方法。PWM检测技术是利用PWM脉冲对微弱信号的调制, 从而达到进行频谱搬移。最后，对于调制后的信号，本文中采用带通、全波整形以及低通等三种方式实现了对待调制信号的解调，并在解调端得到最终的解调信号。 在电路仿真方面本文给出了基于Multisim软件的系统电路仿真图。通过搭建各个模块然后利用仿真电路给出了系统调制解调的各个过程及波形图。利用示波器对系统调制、解调等模块的波形检测可以发现各个模块的信号波形与理论波形基本吻合，系统的设计满足对微弱信号检测的要求。 关键词:微弱信号检测；频谱搬移；PWM调制 Abstract The detection of weak signal in the field of engineering design is always a technical difficulty.. Therefore, it is very important and meaningful to study and analyze the characteristics of weak signal in time domain and frequency domain and the detection technology of weak signal.. In this paper, we first introduce the in Zhongyuan electronic equipment device for load flow particle's motion and external factors lead to system noise principle. In the research of weak signal analysis, time-domain analysis is the most widely used method, such as short time Fourier and wavelet transform.. On this basis, the paper analyzes the principle and the method of the weak signal detection from the angle of the engineering design from the point of view of the engineering design.. PWM detection technology is the use of PWM pulse modulation of the weak signal, so as to achieve the frequency shift. Finally, for modulated signals, this paper by band-pass, full wave shaping and low pass in three ways the treated signal modulation and demodulation, and the final demodulation signal at the end of the demodulation. In the circuit simulation, the paper presents the simulation chart of the system circuit based on Multisim.. By building each module and using the simulation circuit, the process and the waveform of the system modulation and demodulation are given.. Using the oscilloscope system modulation and demodulation module of waveform detection can be found that each module of signal waveform and theoretical waveforms are basically consistent, the design of the system meet the requirements of weak signal detection. .Keyword：Weak signal detection ；Frequency shift ；PWM detection 微弱信号检测 课程论文 题目数字滤波技术的研究 学生姓名 学号 院系 专业 指导教师 二ＯＯ九年十二月三十一日 数字滤波技术的研究 摘要：阐述了数字滤波技术的概念和特点，探讨了算术平均值法、积分平均值法、加权算术平均法、中值滤波法、滑动平均值法以及限幅滤波法等几种常用的数字滤波技术。 关键词：数字滤波技术；特点；常用方法。 一、概述 在信号的检测与处理过程中，干扰信号经常会使系统不稳定，有时甚至能带来严重的后果。如果要消除干扰，可用数字字滤波技术对信号进行处理。数字滤波技术是指在软件中对采集到的数据进行消除干扰的处理。一般来说，除了在硬件中对信号采取抗干扰措施之外, 还要在软件中进行数字滤波的处理, 以进一步消除附加在数据中的各式各样的干扰, 使接收到的信号能够真实地反映传递信息的实际情况。 二、数字滤波技术的特点 对于一般的测量仪器, 检测现场传感器所测到的信号不可避免地要混杂一些干扰信号, 尤其在长线传输时更是如此, 在模拟控制系统中, 都是由硬件组成各种各样的滤波器滤除干扰。在数字控制系统里, 除一些必要的硬件滤波器外, 很多滤波任务可由数字滤波器来承担, 数字滤波器实质上是一种数字处理方法, 是由程序实现的数学运算。数字滤波又称软件滤波。数字滤波在数字控制系统里得到成功的应用, 因为与硬件滤波相比, 数字滤波有很多优点。 数字滤波是对数字进行滤波, 因此它不仅适用于测量仪器的现场测量, 也同样适用于其它用到数据处理的领域, 如图象信息, 地形地貌信息等庞大数据的数据处理。 数字滤波的优点是 1. 数字滤波器是由程序实现的, 不需增加硬设备, 且可以多个输人通道共用, 因而成本低。 2. 由于数字滤波是由程序实现的, 不需硬设备, 因而可靠性高, 稳定性好, 同时不存在阻 抗匹配的问题。 3. 使用灵活, 修改方便。 如果在某个回路要更换滤波器, 若采用更换硬件的方法就要更换器件或设备, 更换费用高且很麻烦, 而采用数字滤波的方法只需调用另一个滤波子程序即可。若要更改滤波器参数, 数字滤波器只需修改内存中的某个数据即可, 非常灵活。 4. 可以实现硬件滤波无法实现或难以实现的滤波任务。 以低通滤波器来说, 如果截止频率很低, 便要求滤波器的电阻和电容值很大, 电阻太大, 滤波器的稳定性差, 电容值大则体积大。但对数字滤波来说只是某几个参数不同比如时间常数, 实现起来很方便。另外有些滤波方法用硬件实现是很困难的, 但用数字滤波就很容易比如判断滤波。 三、几种常用的数字滤波方法 1. 算术平均值法 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）。 一、引言 “微弱信号”不仅意味着信号的幅度很小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对噪声而言的。微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感原理、相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比，可以说，微弱信号检测技术是一门专门抑制噪声的技术[1]。 目前已经得到广泛应用的微弱信号检测方法有时域方法和频域方法两大类，其中时域方法有相关检测、锁定放大、取样积分和数字式平均；频域方法主要是功率谱估计。但当被检测的信号非常微弱时，信号经上述方法分析处理后，有可能被测信号功率仍然小于噪声功率，甚至有可能仍然相当微弱，比噪声小几个数量级甚至被噪声淹没，或者在某些特定场合下噪声不理想，不能在看成白噪声时，利用上述检测方法就有一定的局限性了。而小波变换是一种变分辨率的时域分析方法，小波应用于降噪、重建与数据压缩等方面国内外研究已取得一定的成果。将小波变换引入微弱信号检测领域，可以充分发挥小波变换的优势，利于微弱信号检测技术的进一步推广和应用。本文主要由三部分组成：小波变换降噪原理分析，小波降噪相关仿真实验和小波降噪应用于微弱信号检测原理和相关算法。 二、小波变换降噪原理分析 小波分析的地位在数学界是独一无二的。小波分析从本质上讲是对一个信号进行投影，并在特定空间内按照称之为小波的基函数对数学表达式的展开和逼近，寻求最小个数的函数表示。小波分析是调和分析发展史上里程碑式的进展，是对Fourier 分析的重要补充和发展。它一方面保留了Fourier 分析的优点，更重要的是克服了Fourier 分析不能做局部化的不足[3]。 2.1小波变换的基本原理 小波分析是一种信号的时间尺度(时间-频率)的分析方法。 设)(t ψ为一平方可积函数，其Fourier变换)(?w ψ满足允许条件 ∞<=∫dw w w C R 2)(?ψψ时，称)(t ψ为小波母函数。将小波母函数进行伸缩和平移后得：(1 )(,a b t a t b a ?=ψψ，称该式为一个小波序列，其中a 称为尺度因子，b 为平移因子，a 1为归一化因子。对任意的函数)()(2R L t f ∈，则其连续小波变换定义为： dt a b t t f a b a W R f ( )(1 ),(??=∫ψ0,,≠∈a R b a （1）小波逆变换为：db a b t a b a W a da C t f f )(1),(1)(2?×=∫∫+∞∞?+∞∞?ψψ（2） 第四章 微弱信号检测技术 4.1 被动信号检测 被动检测是一种常用的检测系统，它已广泛应用于水下引信信号检测及 其它工业领域。在被动信号检测中，常用的时域检测方法有以下几种：①宽带检测、②相干检测、③频率随机分布正弦信号的检测技术、④时域同步平均检测与波形恢复技术、⑤相关技术等等；而在频域的检测方法主要是基于FFT 算法的谱分析技术。 4.1.1宽带检测 在有些应用场合，干扰噪声和输入信号都是一有限长的限带零均值的高 斯分布随机过程，在此情况下一般使用宽带检测技术。 4.1.1.1最佳宽带检测器 最佳宽带检测器的结构框图如下： 图4.1 在高斯噪声中检测高斯信号的最佳系统结构 图 4.1中)(ωS 是信号的功率谱密度，()ωN 是干扰噪声的功率谱密度。而 2/12/12/1)]()()[()()(ωωωωωS N N S H +=表示预选滤波的频率响应。 当信号和噪声都是限带高斯分布白噪声时，信号和噪声的差别是信号和 噪声的功率级不同，)(ωH 为常值，最佳检测器是一个平均功率检测器。从理论上说无论噪声多强，信号多弱，只要他们是平稳的，且他们的方差可准确求出来，那么总可通过比较N 和N+S,发现信号。如果过程)(t r 是各态遍历的,那么方差可通过下式计算出来。 ?-≈=t T t r dt t r T t r E )(1)]([222 σ (4.1.1) 不难看出，由于截取的样本时间是滑动的，从而图 4.1可简化为平方积分系统。由于截断T 不是无限长的，所以输出)(t Z 并不等于2r σ,而是随t 在2r σ的均 值附近起伏。对于限带白谱：起伏的存在将掩盖信号加噪声（H 1）与噪声（H 0） 的差别。所以系统的信噪比计算公式如下： )()]()([)/(202 012Z Z E Z E N S σ-= (4.1.2) 在各态遍历条件下，T 越长系统的最佳性越好。 当信号和噪声的功率谱不是白谱时，可利用的信息不仅有能量差异，而且还有谱形状的差异。此时的预选滤波器的传输函数)(ωH 的幅度特性如下： 2/12/12/1)]()()[()()(ωωωωωS N N S H += (4.1.3) 在小输入信噪比情况下： ) ()()(1)()()(2/12/12/12/1ωωωωωωN S N N S H =≈ (4.1.4) 式(4.1.4)所描述的滤波器称为厄卡特滤波器。若假设信号和噪声有相同的谱形状，则： ) (1)(2/1ωωN H = (4.1.5) 上式所描述的是一个白化滤波器，信号和噪声通过后一律变成白噪声。非白谱小信号情况下，其)(ωH 相当于一个白化滤波器和一个匹配滤波器的级联。当信号与噪声有相同形状功率谱时，匹配网络的频率传输函数等于常数，厄卡特滤波器退化为一个白化滤波器,此时虽然不能提高系统输出端的信噪比，但却通过改善噪声谱的形状（白化）提高了系统的等效噪声谱宽。 4.1.1.2实用宽带检测器 在实际应用中，由于信号和噪声的功率谱很难知道，因此预选滤波器一 般没有白化和对信号进行匹配的能力，因此它对系统的输出信噪比影响很小。在实用的宽带检测系统中，主要研究的是宽带能量检测器，对这种接收机一般以系统的输出信噪比的大小或系统处理增益作为衡量系统性能的指标。宽带能量检测器在判决检测前都相应有一个等效积分器，为使讨论具有一般性，可将积分器理解为一个低通滤波器，积分器的传输函数记为H(w)，输入端Y 处与输出端Z 处的信噪比可按如下公式计算： )()]()([)/(20201Y Y E Y E N S Y σ-= (4.1.6) ) ()]()([)/(20201Z Z E Z E N S Z σ-= (4.1.7) 它们和系统参数的关系如下： 保密类别 编 号 20091080604020 武汉大学珞珈学院 毕 业 论 文 基于单片机的微弱信号的检测和控制装置 系 别 电子信息科学系 专 业 通信工程 年 级 2009级通信一班 学 号 20091080604020 姓 名 毛伟 指导教师 方洁 武汉大学珞珈学院 2013年 05月 01日 此处不用填写 此处填学号 论文题目不用加括号，二号黑体，字数不超过20个字，可分为两行 内容居中； 1】系别一栏填写所在系的全称， 2】专业一栏填写所学专业 2】年级一栏写“年级+班级”，如：2006级物流一班 不要加页眉 一号宋体加粗 页边距2.3cm 页边距3.0cm 页边距2.3cm 摘 要 本系统为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。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。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，要求误差不超过5%。 采用以TI 公司超低功耗单片机MSP430G2553为核心的Launchpad 开发板来处理数据和驱动1602液晶屏显示正弦波信号的幅度值。 关键词：噪声弱信号检测MSP430G2553. 小二号黑体居中，单倍行距 顶格 空格隔开 中英文摘要用罗马数字编页码，页码居中 小四号黑体 页边距2.6cm 之间空两格 Weak signal detection based on single-chip microcomputer and control devices ABSTRACT Weak Signal Detection system is used to test the magnitude of a Sine with known frequency,in the context of heavy noise,and display the magnitude with SMC1602. The noise is produced by the .wav file,and SDG1025 provide the Sine wave.Changing the volume can control the magnitude of the noise.The error should be under 5% when the Vpp ranging from 200mV to 2V with the frequency of 1KHz. The system is based on the Launchpad,with the core of ultra-low power MSP430G2553(MCU).Then deal with the data and display the magnitude with SMC1602. Keywords: noise Weak Signal Detection system MSP430G2553. 英文小二号加粗 字体为Times New Roman 16号加粗 Times New Roman ，单倍行距 14号，行距1.25 Times New Roman 14号，行距1.25 Times New Roman 空格隔开 顶格 《微弱信号检测技术》教学大纲 课程类别：专业任选课课程代码：XZ8269 总学时：48学时学分：3 适用专业：电子信息科学与技术 先修课程：高等数学、模拟电子技术、信号与系统分析、高频电子线路、电子测量与仪器 一、课程的地位、性质和任务 本课程是电子信息科学与技术专业的专业限选课，其涵盖的内容是电子信息科学与技术专业本科学生所应具备的知识结构的重要组成部分。其任务是：通过本课程的学习，使学生掌握有关噪声的概念及低噪声设计方面的基本知识和基本方法，并具有初步的电磁兼容方面的知识与基本的技能，为毕业后从电子系统的设计打下基础。本课程的主要内容包括：噪声与低噪声测试系统的设计、屏蔽与接地技术、锁定放大器的工作原理、取样与取样积分原理、相关检测、自适应噪声抵消等。 二、课程教学的基本要求 要求学生掌握微弱信号的概念、噪声信号的数学分析方法、电子系统噪声的来源、锁定放大器的工作原理、屏蔽与接地技术，了解电磁兼容的概念及相关技术、取样与取样积分原理，一般了解相关检测和自适应噪声抵消。 三、理论教学内容与学时分配 1．噪声与低噪声设计（10学时） 噪声的基本概念；电阻的热噪声和过剩噪声；半导体器件的噪声特性；低噪声放大器设计；微弱信号检测系统的屏蔽与接地技术；电磁兼容的基本概念及基本方法。 2．锁定放大器的工作原理（16学时） 相关函数和相关检测；锁定放大器概述；锁定放大器中的相关器；锁定放大器中的同步积分器；旋转电容滤波器；几种典型的锁定放大器；锁定放大器的动态范围及动态协调；锁定放大器的应用。 3．取样与取样积分原理（10学时） 取样的物理过程；取样定理；实时取样与变换取样的基本概念；取样积分器原理和工作方式；门积分器的原理分析；几种典型的取样积分器；取样积分器的参数选择及应用；多点信号平均及其发展。 4．相关检测（6学时） 概述；相关函数的实际运算及误差分析；相关函数算法及实现；相关函数的峰点跟踪；相关检测的应用。。 5．自适应噪声抵消（6学时） 自适应噪声抵消原理；最陡下降法；最小均方算法；其他自适应算法；自适应滤波器应用。 四、教学方法的原则建议 教学重点：锁定放大器的原理及典型锁定放大器；相关检测。 教学难点：噪声的数学分析方法；屏蔽与接地技术；电磁兼容的概念及相关技术。 教学方法的原则建议：教学中应注意讲解理论与实际的联系，特别是具体电路和基本技术要重点讲解，务求让学生掌握。 五、考核方式及成绩构成 考核方式：开卷 成绩评定：平时30％，期末考试70％。微弱信号检测装置(实验报告)剖析
微弱信号检测 课程设计
微弱信号相关检测
微弱信号检测技术 练习思考题
微弱信号检测技术概述
微弱信号检测放大的原理及应用
基于DSP的微弱信号检测采集系统设计
微弱信号论文
基于锁定放大器的微弱信号检测系统设计
基于PWM调制的微弱信号检测的毕设论文 (本科).
微弱信号检测课程论文
微弱信号检测
小波变换与微弱信号检测
第四章 微弱信号检测技术
微弱信号检测和控制要点
《微弱信号检测技术》教学大纲
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