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微弱信号检测装置设计

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2012辽宁省电子设计竞赛设计报告 微弱信号检测装置设计 - - 1

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- - 2

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 - - 3

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；最后的检测及显示电路由MSP430的内置AD及12864- - 4

液晶共同实现。 总体设计框图：

微弱信号检测系统框图 锁相放大器框图 - - 5

二． 理论分析与计算 2.1 加法器单元电路设计

同向加法器 根据题目要求加法器的输出U0 =Ui1+Ui2 ，Ui1为正弦波信号，Ui2为噪声源信号，由同相加法器的输出公式：

ofURRRU2

221112121iiURRRURRRU 解得令,21UU )(22111212iifoURRRURRRRRRU 2121,iiofUUURRRR有时当 经过测试得R1=R2=R3=R4=10K.为满足题目要求带宽大于1MHz,于是选择运放OPA2134，其有效带宽可达8MHz。 2.2 纯电阻单元电路设计 - - 6

衰减网络 纯电阻分压网络衰减系数A不低于100，A= (R1+R2) /R2。测试后电阻R1= 200K,R2=2K，A=101

2.3 锁相放大器电路设计

锁相放大器是以相干检测技术为基础，利用参考信号频率与输入输入信号频率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声中提取出有用信号，使得测量精度大大提高。锁相放大器设计分成四个模块：前置放大与低通滤波、相敏检测器（鉴相器）、参考通道（移相器与比较器）、低通滤波器。

2.3.1前置放大和滤波器

前置滤波器、放大器 通过巴特沃斯低通滤波器的两级放大使增益达到100倍，放大倍数分别都为10倍，（即取K=10）；低通滤波的截止频率fc≥2k,由巴特沃斯低通滤波器公式：

K=1+R4/R3 ccfCCRR212121

第一级： 取标准值为C1=10nF，C2=1.01nF，R1=84.87K，R2=7.35K ，R3=2.5K, - - 7

R4=22.5K。 ccfCCRR212121

代入数据，R1=84.87k，R2=7.35K ，C1=10nF， C2=1.01nF，算出fc=2001.2Hz,符合要求。代入 R3=2.5K, R4=22.5K.K=1+R4/R3=10，符合要求。 第二级： 取标准值为C1=10nF， C2=1.01nF，R1=190.21K，R2=3.05K，R3=2.5K, R4=22.5K。

2.3.2 鉴相器电路设计

开关型鉴相器 相敏检测器是由乘法器和积分器组成，其中乘法器一般采用开关乘法器，积分器通常由低通滤波器组成，下图给出相敏检测器的构成原理图。

带通滤波器Vo待测信号VS1VR参考信号相敏检测器

相敏检测器原理图 理论基础：

设待测信号tntcosVtntVtVssss1s，其中)t(Vs1为待测信

号中的有效信号，nt为噪声。参考信号rrrrtcosVtV，则经乘法器的输出信号为tVtVVrsi，积分器的输出信号OV为：

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浅析微弱信号检测装置设计

浅析微弱信号检测装置设计

浅析微弱信号检测装置设计作者：孙霖陈玉玲来源：《传播力研究》2019年第03期摘要：该系统的设计是用来检测强噪音下对微弱信号检测，低频正弦信号的幅度是已知的并且表示幅度的值。

内核基于微控制器，并用作数据处理和使用Launchpad开发板控制LCD 屏幕正弦信号幅度的内核。

MCU，双音频放大器OPA2134，低噪声放大器选用的是OPA2227，运算放大器使用电压调节器OP07，TL431来检测信号。

关键词：噪声;微弱信号检测一、前言结构的噪声源由标准噪声产生。

当输入正弦信号的频率为1 kHz时，最大幅度在200 mV～2 V范围内，系统中的设置要求其精度控制在5%以内。

二、设计方案该设计使用滤波方法，因为滤波器本身是用于消除不需要的噪声的设备。

对输入和输出信号进行滤波以获得干净的信号，并有效地过滤某一频率的频率或频率，并且功能是获得特定频率或消除某些频率。

本文采用多阶的带通滤波器，中心频率是1KHZ，过滤除信号之外的其他AC信号。

过滤器是借助过滤器设计的，方便简单，而且还基本可以实现设计要求。

三、器件选择微控制器MSP430G2551是一款处理器，具有极低功率的混合信号。

它结合了芯片内的许多外围模拟电路和通用数字模块。

OPA2134双音频运放特点为频带宽、转换速率高、并且在超低噪声情况下有超低失真、该驱动器的高功率输出使其成为噪声和信号的理想选择，具有高扫描速度的低失真差分运算放大器，在恶劣的环境中，可以使用出色的动态响应，高输出电压变化和高输出功率。

附加部件可实现强化且一般与OPA2134可进行兼容;OPA2227是一款具有低噪声和高精度功能的精密放大器、噪声小，准确放大信号电压;OP07运算放大器是一种广泛使用的运算放大器，低噪声，极低的输入失调电压，极低的温度漂移，输入噪声时的极低电压幅度，宽电压范围和高输入阻抗。

可广泛用于集成电路，绝对值精密电路，比较器和弱信号精密增益电路;TL431稳压器用于系统设计，使用精密直流电源产生2.5V参考电压参考设计。

基于MSP430的微弱信号检测装置设计

基于MSP430的微弱信号检测装置设计

Ｉ Ｎ２ ５ Ｚ
８
—
波 器 其 实 是一 个 乘 法 器 ， 也可用模拟开关器实现 。 模 拟 开 关 芯 片 ＣＤ ４ ０ ５ ３内部 包 含 三 组 单 刀 双 掷 开 关 ，有 三个 独 立 的数 字 控 制 输 入 端 Ａ、 Ｂ、 Ｃ， 具 有 低 导 通 阻抗 和低 的截 止 漏 电 流 。幅值 为 ４ ～ ２ ０ Ｖ的数字 信号 可控 制峰 一 峰值 至 ２ ０ Ｖ 的 模 拟 信 号 。例 如 若 Ｖ Ｄ Ｄ＝ ＋ ５ ， Ｖ Ｓ Ｓ ＝ ０ ， Ｖ Ｅ Ｅ ＝ 一 １ ３ ＿ ５ Ｖ，则 Ｏ ～ ５ Ｖ的 数 字 信 号 可控 制 一 １ ３ ． ５ － ４ ． ５ Ｖ的模 拟信 号 。这 些 开关 电路 在 整个 Ｖ Ｄ Ｄ— Ｖ Ｓ Ｓ 和 Ｖ Ｄ Ｄ－ Ｖ Ｅ Ｅ电 源 范 围 内具 有 极 低 的 静 态 功 耗 ，与 控 制 信 号 的逻
ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｍｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ｗｉ ｔ ｈ ｌ ｏ ｗ ｃ ｏ ｓ ｔ ．
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ ： ｗｅ ａｋ ｓ ｉ ｇｎ ａ ｌ ｄｅ ｔ ｅｃ ｔ ｉ ｏ ｎ， Ｍ ＳＰ４ ３ ０， ａ ｄｄｅｒ ， ｐｈａ ｓ ｅ ｓ ｅｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ
最后通过液晶屏显示出来。
纯 电 阻 分 压 嘲 仪 表 放大 器 带 通 滤 波 器
正 弦波信号 ｒ — 叫器
络
Ｈ 篓 Ｈ 三 ｌ
图 １ 电路 总 框 图
柏 敏 检 波 器
过 零 比 较 器
图 ２ 加 法 器 与 纯 电 阻 电 路 图
辑状态无关 。 当Ｉ ＮＨ输 人 端 ＝ “ １ ， ， 时， 所有通道截止。 控 制输 入 为
微弱信号检测装置(实验报告)

微弱信号检测装置(实验报告)

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。

微弱信号检测装置(一稿)

微弱信号检测装置(一稿)

摘要“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，微弱是相对于噪声而言的。

微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号, 或用一些新技术和新仪器来提高检测系统输出信号的信噪比。

微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比。

由于被测量的信号微弱，传感器、放大电路和测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅度大的多，放大被测信号的同时也放大了噪声，而且必然会附加一些额外的噪声，因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。

本文研究了一套微弱信号检测的装置。

AD524作为前置放大电路对信号进行初步放大，再利用MAX267程控滤波器对信号进行滤波以获取有用信号，TLC2652作为二次放大；然后再经模数转换器转换为数字信号，同时使用增强型8051 内核的USB 控制器CY7C68013A作为主控器，将采集数据通过USB2.0接口与PC机实现高速实时传输，还设计了电源模块和单片机扩展模块。

在背景噪声中检测有用信号的仪器，为现代科学技术和工农业生产提供了强有力的测试手段，应用范围遍及几乎所有的科学领域，已成为现代科技必备的常用仪器。

关键词：微弱信号，噪声，信噪比，检测装置Abstract"Weak signal" means not only signal amplitude is small, and refers to the flooded signal by noise,weak signal is relative to noise.The purpose of the weak signal detection extracted useful signal from strong noise,or with some new technology and new instruments to improve the SNR of output signal detection system.Primary mission of weak signal detection is to improve SNR. Due to the measured weak signal is small, sensors,amplifying circuit and the inherent noise of measurement instrument and outside disturbance noise are larger than the useful signal amplitude of the often.Enlarging the measured signal means also enlarging noises and will add some extra noise,so only by the amplifier can not detection the weak signal.Only in effective noise conditions suppressing amplitude of weak signal can extract useful signal.This paper studies a set device of weak signal detection. AD524 as preamplifier is primarily to amplifier signal, then uses MAX267 to filter signal to get the useful signal, and uses TLC2652 as second to amplifier; Then the adc converts a analogue signal to a digital signal, also uses the USB controller CY7C68013A of enhanced 8051 kernel as the main controller and collected data will transmit through USB2.0 implementing high-speed real-time with the PC; And devises a power supply module and microcomputer expansion module.Detection equipment of useful signal in the background noise,which provides astrong means testing for modern science and technology, and the industry and agriculture production, application scope is throughout almost all the fields of science.It has become the common instrument for modern science and technology.Keywords: weak signal，noise,signal-to-noise ratio,detection device目录摘要 (I)Abstract............................................................................................................................................................ I I 第1章绪论 .. (1)1.1 微弱信号检测装置研究的意义 (1)1.2 国内外发展概况 (2)1.2.1 国内检测仪器的发展 (2)1.2.2 国外检测仪器的发展 (2)1.3设计内容 (3)第2章噪声概述 (4)2.1 噪声种类及其特性 (4)2.2 干扰的抑制方法 (5)第3章微弱信号检测的原理和常用检测理论 (8)3.1 微弱信号检测的原理 (8)3.2 微弱信号检测的方法 (8)第4章检测电路总体设计 (13)4.1 信号调理模块 (13)4.2 数据采集模块 (14)4.3 检测电路图 (14)第5章微弱信号的采集与调理 (16)5.1 信号拾取和低噪声前置放大器 (16)5.2 程控滤波器 (18)5.3 TLC2652放大器 (21)第6章基于USB2.0协议的数据采集装置 (24)6.1 A/D转换器的选择 (24)6.2 USB 2．0特点 (28)6.3 CY7C68013A单片机 (29)6.4 CY7C68013A单片机的外部扩展电路 (31)6.5 单片机软件编程 (36)6.6 电源的设计 (37)6.6.1 稳压电源设计 (37)6.6.2 各器件的电源 (39)第7章CY7C68013A与上位机的通信 (41)7.1 CY7C68013A固件程序 (41)7.2 USB驱动程序 (41)7.3 动态链接库DLL (42)7.4 LabVIEW界面应用程序 (42)第8章结语 (44)参考文献 (45)致谢 (46)第1章绪论微弱信号检测是测量技术中的一个综合性的技术分支，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。