1、 全國大學生電子設計競賽2012年大學生電子設計TI杯競賽論文設 計 報 告題 目： 微弱信號檢測裝置（A題） 學 校： * 指 導 老 師： * 參賽隊員姓名： * 日 期： 2012年 8月8號 目 錄1 方案論證與選擇11.1 采樣方法比較與選擇111.1 加法器方案比較11.1.2 純電阻分壓網絡11.1.3 微弱信號檢測電路11.1.4 單片機模塊的選擇21.2 系統設計32 系統軟件仿真及流程圖42.1 加法器42.2 純電阻分壓網絡52.3 帶通濾波器52.4 移相電路52.5 相敏檢波器62.6 低通濾波62.7 單片機顯示與流程圖73 硬件選擇和計算8 3.1 加法器83.2

2、 純電阻分壓網絡103.3帶通濾波器103.4移相電路113.5相敏檢波器123.6低通濾波器134 系統調試144.1 測量儀器154.2 測量結果175 實驗總結18微弱信號檢測裝置設計報告成員：* 院校：*摘要：本文介紹了利用鎖相放大的方法進行微弱信號檢測的電路設計方案。本設計以帶通濾波電路、移相電路、相敏檢波電路、低通濾波電路實現鎖相放大的功能；加法器和電阻分壓網絡為輔助電路； MSP430G2553單片機實現信號輸出和顯示功能。系統主要由五個模塊組成：信號發生模塊、加法器模塊、純電阻分壓網絡、鎖相環路模塊和顯示模塊。首先將正弦波信號源產生的有用信號和噪聲源（MP3輸出）產生的噪聲信號

3、通入加法器TL081中疊加。將其輸出的混合信號通入電阻分壓網絡實現衰減。其次將信號通入高通濾波器和低通濾波器合成的帶通濾波器，對信號進行功率放大，并濾除帶外噪聲。將輸出信號和同頻同相的參考信號（產生的振蕩信號確定頻率后通入移相器得到）同時接入相敏檢波器進行整流后加低通濾波器進行信號幅度值的提取。最后將信號的幅值通入單片機進行信號的恢復，完成微弱信號提取。最終實現微弱信號的檢測裝置的設計和調試。關鍵字： MSP430；鎖相放大；相敏檢波；帶通濾波；低通濾波1 方案論證與選擇本設計要求檢測在強噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號的幅度值，并數字顯示出該幅度值。根據題意需要制作加法器、純電阻分壓網絡、

4、微弱信號檢測電路、顯示電路這個部分。現將各部分分別進行比較論證。1.1 采樣方法比較與選擇11.1 加法器方案比較方案一：采用NE5532，是一種雙電源運放集成。優點是放大倍數可以通過更改負反饋電阻值來實現。但是缺點是它自身沒有集成高 低音調節功能，且輸出的帶寬不能滿足要求，因此沒采用此方案。方案二：簡單的運算放大器TL084CN，正弦波信號和1KHz的噪聲信號通過TL084加法器得到一個混合的信號，該芯片滿足輸出電壓值VC =VS+VN且有效帶寬大于1MHz，同時電路設計簡單，性能比較好，能實現各部分功能，經過試驗經驗得到該芯片達到的性能指標較好，所以選擇此方案。1.1.2 純電阻分壓網絡為

5、了滿足題目的基本要求純電阻分壓網絡的衰減系數不低于100，所以我們采用純電阻分壓原理，利用99:1的比例電阻構成輸出電壓是原來的百分之一的衰減電路。通過該電路可使衰減達到40db。1.1.3 微弱信號檢測電路微弱信號檢測電路是整個設計的重點。分為帶通濾波、相敏檢波器(相乘器)和低通濾波構成。（1）帶通濾波方案分析：帶通濾波器是一個只有在特定頻段的頻率傳遞信號衰減這一頻段以外的所有信號的同時，其目的是提高增益、放大微弱信號。提取出在1KHz范圍內的正弦波信號和噪聲信號的混合波，得到有效部分。方案一：用MAX267設計自適應帶通濾波器，MAX267只有一種工作模式，在這種模式下，帶通濾波器的中心頻

6、率只與外部輸入設置有關，容易控制，但是由于所要提取的基波信息與其諧波分量的頻率相隔較遠，工作的頻率范圍內存在干擾信號，且帶通濾波器的輸出頻率低于其中心頻率，所以不建議采用此方案.方案二：此方案采用OP77芯片，單位增益穩定，性能良好，輸出級能驅動負載能力，同時能良好的在1KHz范圍內得到有用的混合波，達到正弦波信號Vc 的頻率為1 kHz、幅度峰峰值在200mV 2V范圍內因此選擇使用OP77。（2）移相電路：方案一：TL062CD是低功率輸入運算放大器，它具有高輸入阻抗，低的輸入偏置電流和低輸入失調電流。先進的設計，但是在相位偏移上有局限，只能在0-90度之間調制，即此方案不被采用。方案二：

7、FL353P這個芯片是一種低成本，高速，具有極低的輸入失調電壓JFET輸入運算放大器。它需要低供應電流的維持一個大的增益帶寬積和快速壓擺率。此外，相匹配的高電壓JFET的輸入提供了非常低的的輸入偏置和偏置電流，且沒有工作溫度和存儲溫度的影響，電路性能好，設計簡單，因此采用此方案。（3）相敏檢波器: 相敏檢波電路能夠鑒別調制信號相位，從而判別被測量變化的方向，同時相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測控系統的抗干擾能力。從電路結構上看，相敏檢波電路的主要特點是，除了所需解調的調幅信號外，還要輸入一個參考信號,有了參考信號就可以用它來鑒別輸入信號的相位和頻率。模擬乘法器應用電路較簡單，對輸入信號

8、無特殊要求，其缺點是模擬乘法器為非通用電路，因此價格偏高，且應用時電路調試也比較麻煩。LF353P芯片為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，提高抗干擾能力。（4）低通濾波：濾波器的作用是濾除合成的交直流信號，得到近直流分量。方案一：無源LC低通濾波器電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高，但是通帶內的信號有能量損失，且幅度有所衰減。不建議采用方案二：LF353P濾波器性能良好，且波形輸出無失真，所以采用此套方案。1.1.4 單片機模塊的選擇方案一： 89C51 單片機本身的電源電壓是5v，有兩種低功耗方式：待機方式和掉電方式。在掉電狀態下，其耗電電流為3mA，在掉電方式下提供約50m

9、A的電流。其次，80C51單片機是8 位單片機，速度較慢，且不能在線編程。不建議采用方案。方案二： MSP430G 2553單片機功能齊全，功耗小。能顯示數據且能完成補償，在電壓峰值超過時有蜂鳴器進行報警。所以選擇MSP430G2553最小集成開發板。1.2 系統設計本設計是一套用以檢測在強噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號的幅度值，并數字顯示出該幅度值。為便于測評比較，統一規定顯示峰值。如圖1所示。正弦波信號源微弱信號檢測電路噪聲源VS VN VC Vo 純電阻分壓網絡顯示電路加法器Vi A B C D E 圖1 微弱信號檢測裝置示意圖圖2微弱信號檢測電路當正弦波信號即是A點為1KHz和噪聲

10、源VN 在R測其頻率，經過加法器混和后形成混合信號VC =VS+VN，且滿足基本要求帶寬大于1MHz，得到的混合信號接到純電阻電路中，即是利用一個可調電阻和一個固定阻值的1電阻，形成99:1的衰弱電路，根據電阻分壓可得到新的電壓輸出是原來的百分之一，因而滿足純電阻分壓網絡的衰減系數不低于100。通過帶通濾波提取出在1KHz范圍內的正弦波信號和噪聲信號的混合波。通過分析題目的各項要求，微弱信號檢測電路是本設計的重點。首先思考如果欲將1KHz信號從噪聲中檢測出來，可以利用濾波，鎖相放大，取樣積分等等方法。本設計采用鎖相放大的方法實現檢測電路的設計。如圖2所示，包括：用一個高通濾波器級聯一個低通濾波

11、器組成一個帶通濾波電路同時實現100倍的增益。可以濾除500Hz 2kHz范圍外的噪聲輸出設為Vb；然后通過移相器將參考信號Va（同頻同相的相干波）與Vb通入LF353P芯片搭建的相敏檢波器得到Vx信號；然后接入低通濾波濾除頻率大于40Hz的頻率成分，得到檢測輸出直流分量Vo輸出；最后單片機顯示正弦波信號的幅度值。2 系統軟件仿真及流程圖鎖相放大是本設計的重點環節。系統總體框圖如圖3所示。混合電路信號經過帶通濾波器時得到在1KHz范圍內的正弦波和噪聲的疊加信號，濾除高頻部分。同時參考信號經過移相器后得到相同頻率相同幅值的信號，相敏檢波器不僅能鑒別相位還能分頻，最后經過低通濾波器后把交直流的信號

12、分離開，得到直流分量。圖3系統總體框圖2.1 加法器 當一個1KHz的正弦波信號和噪聲信號通過加法器后得到一個混合信號，TL081ACD是一個簡單的運算放大電路，性能高。 圖4 加法器電路2.2 純電阻分壓網絡利用電阻分壓過程，電阻的比例關系式99:1，在輸入是時，輸出D點Vi衰減100，Vi=1/100 VC。如圖5所示。圖5純電阻電路 2.3 帶通濾波器帶通濾波器是一個允許特定頻段的波通過同時濾除帶外噪聲的電路。在本電路圖中，保留在1KHz頻率左右的信號（500Hz 2kHz）。仿真如圖6所示。圖6帶通濾波電路2.4 移相電路如果一個頻率為的正弦信號通過系統后，它的相位落后D，則該信號被延

13、遲了D / 的時間。所以我們利用LF353P芯片，對相位進行調整。仿真如圖7所示。圖7移相原理圖2.5 相敏檢波器兩個同頻信號之間的相位進行檢波，經過相敏檢波后的波形為整流后的波形，頻率變成正弦頻率的兩倍即2KHz。如圖8所示。圖8 相敏檢波電路2.6 低通濾波從相敏檢波器得到的交流信號經過低通濾波器后將被濾除掉（大于40Hz的頻率被濾除），得到平穩的直流電壓信號（幅值等于輸入正弦波的VS 的幅度）。仿真電路如圖9所示。圖9低通濾波電路2.7 單片機顯示與流程圖A/D轉換電路利用MSP430F2012單片機內部提供的ADC10外部模塊完成，它是一個逐次逼近型高性能的10位模數轉換器，使用外部基

14、準參考電壓. 開始 AD轉換 數據處理 電壓值顯示 刷新顯示圖10 單片機程序框編程感想及軟件設計注意事項。 程序應采用模塊化結構，程序代碼簡潔，具有較高執行效率。對于變量的使用，盡可能多的使用局部變量，盡可能多的使用字符和整形變量。對于具有數據運算的程序，要注意參與運算數據的次序，否則影響運算結果的數據精度。編寫程序需要不斷的修改、整理、優化，以使程序具有較少的代碼量，較高工作效率。 3 硬件選擇和計算3.1 加法器 低通濾波器的上限截止頻率，fL是高通濾波器的下限截止頻率，Bw是此次設計濾波器的帶寬，fo是濾波器的中心頻率。輸入信號波形見圖11所示。圖11 輸入正弦波波形經過加法器后示波器

15、顯示波形，以及實物圖見圖12.13所示圖12 經過加法器后的波形圖13 加法器實物圖3.2 純電阻分壓網絡純電阻分壓網絡的衰減系數不低于100，我們采用純電阻分壓原理，利用99:1的比例電阻構成輸出電壓是原來的百分之一的衰減電路。通過該電路可使衰減達到40db。如圖13所示。圖13 純電阻分壓網絡3.3 帶通濾波器帶通濾波器是一個只有在特定頻段的頻率傳遞信號衰減這一頻段以外的所有信號的同時，其目的是提高增益、放大微弱信號。提取出在1KHz范圍內的正弦波信號和噪聲信號的混合波，得到有效部分。見圖14 波形顯示。圖14 帶通濾波波形圖3.4移相電路 移相電路是輸出信號和同頻同相的信號。見圖15波形

16、圖所示圖1 5移相后的波形圖實物圖如圖16所示圖16 移相實物圖3.5相敏檢波器相敏檢波電路能夠鑒別調制信號相位，從而判別被測量變化的方向，同時相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測控系統的抗干擾能力。見圖17波形圖所示圖17 經過相敏檢波電路后的波形 相敏檢波器實物圖見圖18所示圖18 相敏檢波器實物圖3.6低通濾波器 濾波器的作用是濾除合成的交直流信號，得到近直流分量。如圖19所示經過低通濾波器后的波形圖。圖19 經過低通濾波器后的波形實物圖見20所示 圖20低通濾波器實物圖總體實物圖如圖21所示 圖21總體實物圖 4 系統調試4.1 測量儀器杜邦線、插線、顯示屏、正弦波發生器SFG-1

17、013E、示波器DS1102E、萬用表VC97、直流穩壓電UTP3703采用先分別調試再進行整體調試的方法，以提高調試效率。見表一所示測量數據4.2 測量結果表一測量表正弦波峰峰值50mv100mv500mv1v1.5v2v加法器峰峰值110mv140mv550mv1v1.5v2v衰減峰峰值1.6mv1.9mv5mv10mv15mv20mv帶通峰峰值60mv90mv450mv940mv1.4v1.6v乘法峰峰值50mv50mv220mv230mv660mv850mv低通峰峰值25mv75mv270mv530mv790mv1v 5 實驗總結本設計完成了微弱信號檢測裝置的設計、制作和調試，最后通過

18、單片機進行顯示。對于題目要求的基礎和發揮部分完成如下：1、用TL084CN進行加法器的設計，得到噪聲混疊的正弦信號VC =VS+VN，帶寬大于1MHz；2、用純電阻分壓方式進行衰減系數為100的衰減；3、當輸入正弦波信號VS 的頻率為1 kHz、幅度峰峰值在20mV 2V范圍內時，檢測并顯示正弦波信號的幅度值，并且誤差很小。不足之處：由于時間倉促，僅完成對固定信號的測量，當被測信號VS的頻率范圍擴展時，設想應采用單片機產生500Hz 2kHz的參考信號（方波）通過正交相乘電路進行自動相位一致，然后與混疊的正弦信號VC進行步進檢測最后進行相敏檢波就可以得到原正弦信號VC。文獻參考：1王衛東;高頻電子線路（第二版）.北京