下载文档原格式
2012年全国大学生电子设计竞赛【本科组】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Abstract: The system is of weak signal detection based on lock-in amplifier device, used for the detection of known weak sinusoidal signal under strong noise background frequency amplitude. The system consists of an adder, pure resistor divider network, weak signal detection circuit and display circuit. The adder and the pure resistor divider network to produce small signal, weak signal detection circuit and display circuit to complete the detection of tiny signal and displayed on the LCD screen. The system is based on a phase sensitive detector as the core, the reference signal through the phase shifter, then through the comparator produces Fang Bo todrive switch multiplier CD4053, finally through the low pass filter output DC signal detection ofweak signal, the DC signal into the microcontroller processing, liquid crystal display. The final test, the system can achieve the tiny signal.Key Word：weak signal strong noise phase sensitive detection目录摘要： (1)1. 系统设计 (3)1.1设计要求 (3)1.1.1设计任务 (3)1.1.2技术指标 (3)1.2方案比较与选择 (4)1.2.1微弱信号检测模块方案比较 (4)1.2.2移相网络模块方案比较 (4)1.2.3电阻分压模块方案比较 (5)1.3方案论证 (5)2.单元电路设计及参数计算 (5)2.1加法器电路 (5)2.4带通滤波电路 (7)2.5相敏检波电路 (7)2.7低通滤波电路 (8)3. 软件设计 (9)3.1程序总体流程图 (9)3.2程序清单（见附录2） (9)4.系统测试 (9)4.1测试仪器 (9)4.2测试结果 (10)5. 结束语 (10)参考文献 (10)附录 (10)附录1 主要元器件清单 (10)附录2 程序清单 (11)1.系统设计1.1设计要求1.1.1设计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。
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测在许多领域都有着重要的应用，比如无线通信、生物医学、天文测量等。
设计一种高效的微弱信号检测装置对于提高信号检测的灵敏度和准确性至关重要。
本文将从硬件设计和信号处理两个方面对微弱信号检测装置进行浅析。
一、硬件设计1. 低噪声放大器在微弱信号检测装置中，低噪声放大器是至关重要的组件。
由于微弱信号本身具有较低的能量，因此在信号放大的过程中，放大器的噪声也会对信号检测产生较大的影响。
低噪声放大器可以有效地抑制噪声，并且提高信噪比，从而更好地检测微弱信号。
在设计低噪声放大器时，需要考虑放大器的增益、带宽、输入输出阻抗等参数，同时在电路设计上采用低噪声元件和优化的布局方式，以尽量减小放大器本身的噪声。
2. 滤波器在微弱信号检测中，滤波器起着至关重要的作用。
由于环境中可能存在各种干扰信号，比如电磁干扰、交流干扰等，因此需要采用滤波器来剔除这些干扰信号，保留下需要检测的微弱信号。
常见的滤波器包括低通滤波器、带通滤波器等，通过合理设计滤波器的参数和特性，可以有效地滤除不需要的频率成分，提高信号的纯净度。
3. 高精度模拟数字转换器（ADC）在微弱信号检测装置中，通常需要将模拟信号转换为数字信号进行后续处理。
高精度的模拟数字转换器是必不可少的组件。
高精度ADC可以有效地保持信号的原始信息，并且提高信号的采样精度和分辨率，从而更好地还原微弱信号的细节和特征。
4. 高灵敏度探测器高灵敏度的探测器对于微弱信号的检测非常重要。
在无线通信中，微弱的无线信号可能需要通过天线进行接收，因此天线的灵敏度直接影响信号的接收效果。
在生物医学领域，微弱的生物信号需要通过生物传感器进行检测，因此生物传感器的灵敏度非常重要。
在设计高灵敏度探测器时，需综合考虑探测器的灵敏度、稳定性和信噪比，以达到最佳的检测效果。
二、信号处理在微弱信号检测中，由于信号本身较弱，可能会受到一些非理想因素的影响，比如噪声、干扰等。
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。
第1篇一、实验背景随着科技的不断发展，测控技术在工业生产、科学研究、军事等领域发挥着越来越重要的作用。
测控装置作为测控技术的核心，其性能直接影响着测控系统的稳定性和准确性。
本实验旨在通过实际操作，深入了解测控装置的原理、结构、功能以及应用，提高学生对测控技术的认识和操作能力。
二、实验目的1. 熟悉测控装置的基本原理和组成；2. 掌握测控装置的调试方法和操作技巧；3. 学会分析测控装置在实际应用中的问题，并提出解决方案；4. 提高学生的动手能力和创新意识。
三、实验内容1. 测控装置基本原理及组成本实验主要介绍了测控装置的基本原理和组成，包括传感器、信号调理电路、数据采集与处理系统、执行机构等部分。
传感器负责将物理量转换为电信号，信号调理电路对信号进行放大、滤波等处理，数据采集与处理系统对信号进行数字化处理，执行机构根据处理结果执行相应的动作。
2. 测控装置调试方法（1）传感器调试：根据实际测量需求，选择合适的传感器，并对传感器进行校准和标定，确保测量精度。
（2）信号调理电路调试：对信号调理电路进行参数设置，使信号达到最佳状态，如放大倍数、滤波频率等。
（3）数据采集与处理系统调试：设置数据采集参数，如采样频率、分辨率等，并对采集到的数据进行处理和分析。
（4）执行机构调试：根据实际需求，对执行机构进行参数设置，确保执行机构能够准确执行指令。
3. 测控装置应用实例本实验以温度测控系统为例，介绍了测控装置在实际应用中的具体操作。
包括：（1）选择合适的温度传感器，如热电偶、热电阻等；（2）搭建温度测控系统，包括传感器、信号调理电路、数据采集与处理系统、执行机构等；（3）对系统进行调试，确保系统稳定运行；（4）根据实际需求，对温度数据进行采集、处理和分析，实现对温度的实时监控和控制。
四、实验结果与分析1. 实验结果通过本次实验，我们成功搭建了一个温度测控系统，实现了对温度的实时监测和控制。
系统稳定运行，测量精度达到预期要求。
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测是指在非常低的信噪比下，对微弱信号进行可靠检测和测量。
在现实生活和工程应用中，微弱信号检测是非常重要的，常见的应用场景包括地震监测、生物医学检测、通信系统等。
设计一种高效可靠的微弱信号检测装置对于这些应用至关重要。
在微弱信号检测装置设计中，需要克服信号太小、噪声干扰大等问题，因此需要一系列工程手段和技术手段来实现微弱信号的准确检测。
接下来，我们将从信号处理、噪声抑制、灵敏度提高等方面对微弱信号检测装置进行浅析。
信号处理是微弱信号检测中的关键环节。
一般情况下，微弱信号在传感器中采集后需要进行放大、滤波等处理，以提高信噪比。
对于微弱信号的有效检测，通常需要将其转换为数字信号进行处理。
信号处理技术在微弱信号检测中起着至关重要的作用。
在实际设计中可以采用数字滤波、数字增益控制、数字匹配滤波等方法，对微弱信号进行有效处理从而获得清晰的信号特征。
噪声抑制是微弱信号检测中的另一个关键问题。
由于噪声的存在，微弱信号的检测变得更加困难。
需要对噪声进行有效的抑制。
在设计过程中可以采用模拟滤波器、数字滤波器等方法，对噪声进行抑制从而提高信噪比。
还可以采用信号平均、时域滤波等技术手段来进一步抑制噪声，从而提高微弱信号的检测精度和可靠性。
随后，灵敏度提高是微弱信号检测中的重要问题。
在实际应用中，由于信号本身很微弱，仪器的灵敏度往往成为制约检测性能的关键因素。
设计具有高灵敏度的检测装置对于微弱信号检测至关重要。
在装置的设计中，可以通过优化传感器结构、提高电路灵敏度、减小噪声等方式来提高检测系统的灵敏度。
还可以采用增益控制、信号平均等技术手段来提高装置的灵敏度，从而更好地检测微弱信号。
仪器的稳定性和可靠性也是微弱信号检测中需要考虑的重要因素。
在设计检测装置时，需要考虑到降低系统的漂移，提高仪器的稳定性。
还需要考虑到装置的可靠性，避免各种外界因素对仪器性能的影响，确保检测装置的可靠运行。
微弱信号检测装置的设计需要充分考虑信号处理、噪声抑制、灵敏度提高和稳定性可靠性等因素。
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。
微弱信号检测装置的设计作者：殷大勇来源：《科学与财富》2019年第05期摘要：随着我国新时代科学技术发展的不断推进，我国信号检测技术也在不断发展，但是在微弱信号检测方面，我国现有信号检测技术还存在一定的不足，需要得到相关科研部门的高度重视，也需要经过相关科研人员的进一步改进，以期我国新时代微弱信号检测技术能够满足新时代经济建设的发展需求，使我国新时代综合科技能力稳步提升。
本文重点对我国现阶段的微弱信号检测装置的设计进行探讨和分析，并提出相应的设计方案以供广大信号检测技术研究人员的参考，以期为我国微弱信号检测技术做出积极贡献。
关键词：微弱信号;信号检测;装置;设计微弱信号检测（ Weak Signal Detection）是一门新兴的技术学科，应用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、力学、地质、环保、医学、激光、材料等领域。
其仪器已成为现代科学研究中不可缺少的设备。
微弱信号检测技术是使用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，检测被噪声淹没的微弱有用信号。
一、微弱信号检测技术的相关概述随着我国新时代科学技术和社会主义生产力的飞速发展，各种对于数据精确度要求较高的物理量的微小变化需要得到及时的测量，比如一些微弱风电流、电压，或者一些微小的温度变化和磁场、振动等，有些微弱信号往往处于一些极端的条件下，这些微弱信号的测量同样十分重要。
在通常情况下，很多的非电量微小物理变化都可以通过特定的传感器经过一系列的转变变为电信号，达到了对微小信号放大的目的，进而进行进一步的显示和记录。
但是在实际的应用过程中，这些较为微小的物理量变化即使通过传感器转换也是十分微弱的，二对于这些微弱信号新进行检测的时候，干扰和噪声往往会成为主要的矛盾所在，在基本的科学认识中，物质一般是由院子或者分子等带电粒子所组成，物质若长期存在于一定的温度环境或者其他条件之中时，带电粒子往往会发生热扰动，进而会产生一定的热噪声造成干扰;除此之外，电子电路中的各个电子元件，尤其是半导体器件之中的载流子在再生、复合的过程中会产生一系列的噪声，最为突出的还有依附于半导体器件表面状态的影响的闪烁噪声，还有一些光所产生的量子噪声等等。
浅析微弱信号检测装置设计
微弱信号检测装置是指在环境噪声干扰下，检测并提取出微弱信号的设备。
微弱信号的检测在很多领域都有应用，比如医学诊断、环境监测、地震预警等。
本文将从信号源、传感器、信号处理以及噪声抑制等方面对微弱信号检测装置的设计进行浅析。
一、信号源
微弱信号的来源非常广泛，可以是生物体内的脉冲信号、地面的微震信号、气体的微弱放电信号等。
因此，在设计微弱信号检测装置时，需要根据实际的信号源选取相应的传感器和信号采集器。
二、传感器
选择合适的传感器是微弱信号检测装置设计的第一步。
传感器的灵敏度和频率响应是影响检测精度的重要因素。
为了检测微弱信号，需要使用灵敏度较高的传感器，比如震动传感器、压电传感器等。
此外，传感器的电路设计也非常重要，要尽可能降低传感器自身噪声的影响，保障信号的良好转换。
三、信号处理
对于采集到的微弱信号，需要进行一系列的信号处理，以提高信噪比，减小误差。
首先，采用差分放大器，可以排除掉传感器、前级电路产生的共模噪声。
另外，在信号放大之前，要进行低通滤波。
此外，锁相放大器也是常用的信号处理方法，它可以消除高频噪声和低频漂移，提高信号的稳定性和准确性。
四、噪声抑制
环境噪声对微弱信号的检测非常不利，因此，在微弱信号检测装置设计过程中，噪声抑制也是非常重要的一步。
首先，要选择合适的工作环境，尽量远离噪声源。
其次，在电路设计时，要采取一系列噪声抑制措施，比如加装屏蔽罩、使用低噪声元器件等，以降低噪声引入的影响。
最后，信号采集的时间也非常重要，要尽可能避开环境噪声较高的时间段。
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测是许多科学领域和工程领域中的一个重要技术挑战，包括无线通信、雷达、医学诊断和科学研究等领域。
微弱信号检测装置是用来检测和测量微弱信号的设备，它需要具备高灵敏度、低噪声和高分辨率等特性。
本文将对微弱信号检测装置的设计原理和关键技术进行分析和探讨。
一、微弱信号检测装置的原理微弱信号检测装置的设计原理主要是利用信号放大和滤波技术来增强微弱信号的强度，并通过噪声抑制技术来提高信噪比。
一般来说，微弱信号检测装置包括前置放大器、滤波器、增益控制器和信号处理器等部件。
前置放大器是用来放大输入信号的强度，增加信号与噪声的差异，从而提高信噪比。
前置放大器的设计需要考虑到信号的频率范围、输入阻抗和放大倍数等参数。
滤波器则是用来去除输入信号中的杂散噪声和干扰信号，通常采用低通滤波器或带通滤波器来限制输入信号的频率范围。
增益控制器可以根据输入信号的强度来调节放大倍数，以避免过大的信号被过度放大而导致失真。
信号处理器则用来处理放大后的信号，包括采样、滤波、数字转换和数据分析等功能。
1. 低噪声放大器设计低噪声放大器是微弱信号检测装置中的关键部件，它需要具备高增益和低噪声的特性。
要设计一款低噪声放大器，需要考虑到放大器的噪声系数、输入电阻、输出阻抗和带宽等参数。
通常采用低噪声场效应管和双极晶体管来设计低噪声放大器，同时采用差分放大电路来提高信噪比。
还需要考虑到放大器的线性度和稳定性，以确保信号在放大过程中不会失真和漂移。
2. 信号滤波技术信号滤波技术是微弱信号检测装置中的另一个关键技术，它用来去除输入信号中的杂散噪声和干扰信号，从而提高信号的纯度和准确性。
通常采用主动滤波器和被动滤波器来设计信号滤波器，主动滤波器采用放大器和反馈网络来实现滤波功能，被动滤波器则采用电容和电感等元件来实现滤波功能。
还可以采用数字滤波器来进行数字信号处理，用于实现高精度和高分辨率的滤波效果。
3. 低功耗设计微弱信号检测装置通常需要长时间持续工作，因此需要考虑到功耗和热量的控制。
浅析微弱信号检测装置设计
微弱信号检测装置是一种用于检测和放大微弱信号的设备。
它在很多领域中都有重要的应用，如空间科学、生物医学、无线通信等。
本文将从设计原理、关键技术和应用场景三个方面对微弱信号检测装置进行浅析。
设计原理：
微弱信号检测装置的设计原理主要基于放大器电路和噪声处理技术。
放大器电路是微弱信号检测装置的核心部件，它可以将微弱信号放大到足够强度以便进行后续处理。
常用的放大器电路包括放大器阵列、差分放大器等，它们可以提高信号的信噪比，从而提高检测的灵敏度。
噪声处理技术是微弱信号检测的关键。
由于微弱信号往往被噪声干扰，所以必须采用滤波、降噪等技术来减小噪声对信号的影响。
常用的噪声处理技术有前置滤波、数字滤波、自适应滤波等。
应用场景：
微弱信号检测装置在很多领域中都有广泛的应用。
在空间科学中，微弱信号检测装置可以用于接收和处理来自太空的微弱信号，如宇宙射线、星光等。
在生物医学中，微弱信号检测装置可以用于生物体内微弱信号的检测，如脑电图、心电图等。
在无线通信中，微弱信号检测装置可以用于接收和处理无线电波信号，如手机信号、WiFi信号等。
这些应用场景都需要高灵敏度、低功耗、高可靠性的微弱信号检测装置。
微弱信号检测装置是一种用于检测和放大微弱信号的设备，其设计原理基于放大器电路和噪声处理技术。
关键技术包括低噪声设计、高增益设计和高速信号处理技术。
应用场景包括空间科学、生物医学和无线通信等。
未来随着科技的发展，微弱信号检测装置将会发展出更加高效、高灵敏度的新型装置。
微弱信号检测系统的设计赵琳;乔延华【摘要】During the research of the application of magnetic fluid film in tunable optical filter, the light signal that carries useful information is a weak signal, which is very easily to be submerged in the background of strong noise or other disturbances, therefore it is necessary to extract the weak electrical signal, which is conversed by the photoelectric detector, through the weak signal detection technology. In this paper, a weak signal detection system is designed, which is based on the phase lock amplifier. The system is composed of AC amplifier, band-pass filter, phase sensitive detector, low pass filter, DC amplifier, phase shifter and so on.%研究磁流体薄膜在可调谐光滤波器中应用的过程中,携带有用信息的光信号是微弱信号,很容易被淹没在很强的噪声或其他干扰的背景中,因此必须通过微弱信号检测技术将经过光电检测器转换后的微弱电信号提取出来.本文完成了利用锁相放大器进行有用信号提取的微弱信号检测系统的设计,主要由交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器、移相器等组成.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2015(000)020【总页数】3页(P1-3)【关键词】锁相放大器;微弱信号检测;相敏检测【作者】赵琳;乔延华【作者单位】天津天狮学院,天津,301700;天津天狮学院,天津,301700【正文语种】中文【中图分类】TN98研究磁流体薄膜在可调谐光滤波器中应用的过程中，需要测量经过不同性质磁流体薄膜后光信号的特征，而光信号经光电检测器转换后得到的电信号是微弱信号，很容易被噪声淹没，因此需要设计一个微弱信号检测系统，将微弱信号检测出来，从而分析光信号的特征，来确定磁流体薄膜的光学特征，进而应用在可调谐光滤波器中。
2012年四川省大学生电子设计TI杯竞赛设计报告制作题目：微弱信号检测装置（A题）作者：日期：本装置是基于超外差原理对微弱信号进行幅值检测，主要由PGA，低通滤波器，DDS，带通滤波器，高精度A/D，恒增益运算放大器，峰值检波，MSP430-Launchpad组成。
其中，由恒增益放大器与单片机进行第一次检测判断并控制PGA放大倍数，再将PGA产生信号与DDS信号进行混频，经带通滤波器后，由峰值检波检测峰值，交由A/D 检测，并由单片机显示结果。
关键词：超外差；微弱信号；幅值检测AbstractThis device detected the weak signal amplitude based on the superheterodyne principle.It is formed mainly of the PGA,low-pass filter,DDS,band-pass filter,high-precision A/D,fixed-gain operational amplifier peak detector and MSP430-Launchpad.During this prosession,the MCU and fixed-gain operational amplifier detected the signal amplitude at first and determine the magnification of PGA.Next,the signal witch is produced by the mixing of the signal which are formed of DDS and the output of PGA.And,the mixed signal whitch has been dealed byband-pass filter is detected by peak detector to got the number of the st,the MCU display the peak by the detection of A/D.Key words:Superheterodyne;weak signals;amplitude detection一．方案论证--------------------------------------------41.方案比较和选择信号提取方式---------------------------------------4A/D选取-------------------------------------------4信号峰值获取---------------------------------------5波形产生-------------------------------------------52.总体方案设计---------------------------------------5二．理论分析与计算--------------------------------------61.超外差电路设计-------------------------------------62.峰值检测设计---------------------------------------7三．电路设计混频电路-------------------------------------------7峰值检测电路---------------------------------------8滤波器电路-----------------------------------------8系统软件与流程框图---------------------------------8四．测试方案与测试结果----------------------------------10测试仪器-------------------------------------------10测试方案及数据记录---------------------------------10五．总结------------------------------------------------11六．参考文献--------------------------------------------11一．方案论证1.方案比较和选择（1）信号提取方式：方案一：采用锁相放大器原理。
高精度微弱信号检测装置设计许江淳;李瑞;赵烨;石河【摘要】为了更好地提取被强噪声淹没的微弱信号,适应工业发展的需求,结合实际项目,利用同步外差技术设计了一个以STM32F107VC微处理器为控制单元,以MC1496为检测核心的微弱信号检测装置,从设计的微弱信号检测装置的检测精度要求出发,分析检测装置误差来源,并提出减小误差的解决方案,通过实测的数据进行了验证,实验结果表明:该装置可以实现对不同频率信号的识别和检测,具有很高的精度.%In order to extract weak signals from the strong noise better and to meet the needs of industrial development,practical projects utilizing the technology of synchronous heterodyne,design a weak signal detection device based on STM32F107VC microcontroller as the control unit and MC1496 as the core of detection.According to the requirement of the detection precision of the weak signal detection device,analyze error sources of the detection device and propose the solution to reduce error.It is verified by the measured data.The experimental results show that the device can realize the identification and detection of different frequency signals and it has high precision.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2017(036)002【总页数】4页(P94-96,100)【关键词】强噪声;同步外差技术;微弱信号检测;高精度【作者】许江淳;李瑞;赵烨;石河【作者单位】昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明650500;昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明650500;昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明650500;昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明650500【正文语种】中文【中图分类】TM935微弱信号并不意味着信号幅度小，而是指被噪声淹没的信号，微弱也仅仅是相对噪声而言的，只有在有效抑制噪声的情况下，有选择地放大微弱信号的幅度，才能提取出有用的信号。
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。
方案一：采用AD707超低噪声运放作为衰减电路的芯片，接以AD8429低噪声运放作为前置放大器，然后用AD707和OP27作为主放大器，放大后的信号经过OP07组成的带通滤波器滤波后输出给相关器。
方案二：采用OPA227超低噪声运放作为衰减电路的芯片，接以OPA228低噪声运放作为前置放大器，然后只要用OPA228作为主放大器，放大后的信号经过LF353组成的带通滤波器滤波后输出给相关器。
比较AD707和OPA227的参数：AD707：s摆率，闭环带宽，C最大失调电压漂移，稳定时间10us,√Hz噪声OPA227：us摆率，8MHz增益带宽，3nV/√Hz噪声，稳定时间5us比较OP07和LF353的参数：OP07：超低偏移：150μV最大。
低输入偏置电流：。
低失调电压漂移：μV/℃。
超稳定，时间：2μV/month最大高电源电压范围：±3V至±22V；LF353：典型增益带宽积3MHz，典型电压增益，100dB典型输入噪声电压密度18nV/rtHz。
可以看出OPA227相比于AD707具有更低的噪声，更小的压摆率，而且稳定时间更短，故OPA227来做衰减器和前置放大器会比较好；而LF353的增益带宽积也高于OP07，即用LF353来做滤波器相比于OP07要更加稳定。
故信号通道选择的是方案二。
三、系统总体框图四、理论分析和计算1.前置放大器的噪声分析信号通道中最重要的部分就是低噪声前置放大器，因为进来的信号很微弱，只有uv量级，任何微弱的噪声混入后经过放大都会对后级的检测电路带来麻烦。
噪声干扰主要分为两种，一种是周围环境中的各种噪声，特别是50HZ的工频干扰；另一种是电路内部器件本身的噪声，这些都会被引入电路。
为了抑制这些噪声的进入，首先要选取低噪声的运放芯片，这个选择尤为重要，放大器采用了差分式放大结构，并且采取了反相放大器，因为反相放大器的输入阻抗小，相比高输入阻抗的同相放大器，反相放大器的热噪声更小。
其次由于实验室提供的直流电压源其实是由交流电整形而来的，肯定会有文波，纹波对电路的稳定性，低噪性会有一定影响，故而最好加上直流稳压器。
另外电路中发生高低电平转换时候会有一个很大的脉冲信号，电路的这个状态会对直流电压源产生影响，使之产生波动，故而需要加入电容去耦合电路。
电容去耦对低噪声前置放大器极为重要，忽略这一步会使得放大后的波形严重恶化。
一般来说电容去耦在离直流电压源很近的地方并联一个小电容，远一点的地方并联一个大电容，这个大电容也可以作为各部分电路公用的去耦电容。
2.信号通道的增益计算衰减器两级衰减分别衰减20dB和40dB，将信号衰减1000倍，然后低噪声前置放大器有固定30倍的放大，主放大器拥有0-50倍的可调放大倍数，接着带通滤波器有倍的放大，GIC 滤波器有倍的信号放大，所以信号通道的放大倍数为80倍至4000倍，增益为72dB。
3.相关器的理论分析计算假设输入信号是：（3-1）本地信号为：（3-2）将这两组信号进行相关检测，设计框图如图2-1所示：图1 互相关检测框图将3-1式和3-2式带入相关检测器，利用式，得到互相关函数运算为（3-3）以上推导可以看出：互相关接收只有信号与本地信号的相关输出，去掉了噪声项，这就是互相关检测能够消除噪声的核心推导公式。
需要注意的是互相关接收要求本地信号与接收信号的重复周期严格一致，如果频率不等，相关后的结果将出现起伏信号，平均值将下降，严重时候可能为零。
因此完成电路的互相关运算需要一个乘法器和一个积分器。
理论上一个模拟乘法器和一个积分时间无限长的积分器可以从任意大的噪声中恢复出微弱信号。
相关器简单的原理图如下[2]：图 2 相关器原理图设被测信号和参考信号在乘法器中相乘，为乘法器的输出信号，也即积分器的输入信号。
为积分器的输出信号，也就是相关器的最终输出。
这里我们不采用模拟乘法器，而是采用动态性能好，电路更为简单的开关式乘法器。
因此参考通道不是输入与待测信号同频的正弦波，而是基波分量与待测信号同频的方波信号。
虽然方波信号包含了非常丰富的谐波分量，但是待测信号中没有与之同频的分量，所以谐波分量做相关后还是为0，在相关器中起作用的还是方波中的基波分量。
参考信号为对称方波输入：（3-4）设被测输入信号为：（3-5）当输入信号频率与参考信号频率的基波相等（），且满足时，经过推导化简，我们有相关器的输出：（3-6）进而得到以下结论：1.时间常数，为积分器的时间常数，由电容和电阻决定。
理论上积分时间越长越好。
2.当测试时间时,，得到稳态解：（3-7）由此可知，相关器输出为直流电压，式2-10为我们找到了输入信号幅度与输出直流电平的线性关系，这也正是整个设计最根本的依据。
输出直流电压其值正比于输入信号基波振幅，并与信号和参考信号之间的相位差的余弦成正比；为近似积分器的直流放大倍数；负号表示反相输出，而为乘法器输出直流分量的系数。
当然为了让相关器正常工作，还需要预先放大输入信号到其能够推动相关器工作的电压幅度。
由式3-7可知，为了得到最大的直流输出，便于检测，必须使得参考信号与待测信号相位差为0度或者180度，这样其余弦绝对值最大为1。
这也是参考信道移相网络的直接目的—调整参考方波相位使之与输入待测信号同相。
由3-7式可见如果相位差为90度，不管输入信号幅度多大，最后的直流输出都是0，这是电路最不希望的情况。
考察相关器的幅频特性曲线，实际使用中参考方波的频率和输入信号频率总会有一个微小的偏差，这时候经过推导[3]，整个相关器的幅频特性曲线如下图，这是一个梳状滤波器。
图3 相关器的幅频特性曲线由图3可知相关器传输函数的幅频特性是以输入信号频率为参考的梳状滤波器。
滤波器的通带中心在各个奇次谐波处。
它只让对称方波中具有的奇次谐波通过，抑制了其他分量的噪声和干扰。
由于实际使用中除了基波分量是信号输入外，其它各个奇次谐波分量只有噪声里面有且幅度远远小于基波，所以高次的奇次谐波不会对基波信号检测带来影响[4]。
通过以上推导可知，输出直流电压与输入正弦信号幅度存在线性关系，这也正是本设计最根本的依据。
本设计主要针对的是低频信号，实际生产生活中需要检测的也大都是低频信号，本设计有效的工作频带为100HZ—10KHZ。
如果输入幅度已知的测试信号，根据输出直流电压大小，就可以测出整个电路的放大倍数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.信号通道的设计（1）衰减器由于题目要求衰减网络衰减20dB和40dB，即衰减1000倍，为了提高精度，降低电路难度，一般使用两级衰减，分别衰减10倍和100倍。
型衰减电路的原理图如下：图4-3型衰减电路的原理图其推导公式如下：(4-2) 其中R I 为输入电阻，R O 为输出电阻，U I 为输入电压，U O 为输出电压本设计采用型衰减网络，它的输入电阻为50，用以匹配信号发生器的50输出电阻，衰减其实是通过20K的滑变和110的电阻串联分压而成的，衰减后的信号经过一个跟随器进入下一级衰减。
由于信号通道都是极微弱的信号，所以任何噪声的引入都会产生很坏的影响，所以对运放的噪声特性要求很高。
这里用于跟随器的运放采用超低噪声运放OPA227，它的输入噪声电压在频率f = 1 kHz时候只有3nV/?Hz，远远低于检测信号的uv级别，因此造成误差很低。
其输入失调电压也只有5uv。
衰减网络电路图：仿真图：可以看出输出为输入的千分之一。
（2）加法器衰减后的微弱信号在加法器中与噪声相加，用以模拟实际情况。
在检测电路时可以先不加入噪声，用以调节相位。
简单的加法器电路如下[5]。
