1、微弱信號檢測裝置四川理工學院劉鵬飛、梁天德、曾學明摘要:本設計以TI的LaunchPad為核心板，采用鎖相放大技術設計并制作了一套微弱信號檢測裝置，用以檢測在強噪聲背景下已知頻率微弱正弦波信號的幅度值，并在液晶屏上數字顯示出所測信號相應的幅度值。實驗結果顯示其抗干擾能力強，測量精度高。關鍵詞：強噪聲；微弱信號；鎖相放大；LaunchPadAbstract:ThisdesignisbasedontheLaunchPadofTIcoreboard,usingalock-inamplifiertechniquedesignedandproducedaweaksignaldetectiondevice

2、,tomeasuretheknownfrequencysinewavesignalamplitudevaluesoftheweakinthehighnoisebackground,andshowsthemeasuredsignalamplitudeofthecorrespondingvalueintheliquidcrystalscreen.Testresultsshowedthatithashighaccuracyandstronganti-jammingcapability.Keywords:weaksignaldetection;lock-in-amplifier;LaunchPadII

3、目錄摘要：IAbstract:II1、弓I言12、方案論證.1.3、理論分析與計算3.4、總體方案設計.3.5、硬件設計4.5.1 信號產生電路4.5.2 前置放大電路5.5.3 帶通濾波電路6.5.4 移相網絡6.5.5 鎖相放大電路7.5.6 低通濾波電路8.5.7 LaunchPad電路連接8.6、軟件設計9.7、系統測試與結果分析1.07.1 測試儀器1.07.2 測試方案1.07.3 測試結果1.07.4 結果分析1.28、總結1.2附錄A硬件實物圖12附錄B軟件代碼12參考文獻22iii1、引言隨著現代科學技術的發展，在科研與生產過程中人們越來越需要從復雜高強度的噪聲中檢測出有用的

4、微弱信號，因此對微弱信號的檢測成為當前科研的熱點。微弱信號并不意味著信號幅度小，而是指被噪聲淹沒的信號，“微弱”也僅是相對于噪聲而言的。只有在有效抑制噪聲的條件下有選擇的放大微弱信號的幅度，才能提取出有用信號。微弱信號檢測技術的應用相當廣泛，在生物醫學、光學、電學、材料科學等相關領域顯得愈發重要。2、方案論證針對微弱信號的檢測的方法有很多，比如濾波法、取樣積分器、鎖相放大器等。下面就針對這幾種方法做一簡要說明。方案一：濾波法。在大部分的檢測儀器中都要用到濾波方法對模擬信號進行一定的處理，例如隔離直流分量，改善信號波形，防止離散化時的波形混疊，克服噪聲的不利影響，提高信噪比等。常用的噪聲濾波器有

5、：帶通、帶阻、高通、低通等。但是濾波方法檢測信號不能用于信號頻譜與噪聲頻譜重疊的情況，有其局限性。雖然可以對濾波器的通頻帶進行調節，但其噪聲抑制能力有限，同時其準確性與穩定性將大打折扣。低通濾波器方案二：取樣積分器取樣積分法是利用周期性信號的重復特性，在每個周期內對信號的一部分取樣一次，然后經過積分器算出平均值，于是各個周期內取樣平均信號的總體便呈現出待測信號的真實波形。由于信號的取樣是在多個周期內重復進行的，而噪聲在多次重復的統計平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現被噪聲淹沒的波形。其系統原理圖如圖2-1所示。Vo(t)圖2-2取樣積分原理圖一個取樣積分器的核心組件式是取樣門和積分器，通常

6、采用取樣脈沖控制RC積分器來實現，使在取樣時間內被取樣的波形做同步積累，并將累積的結果保持到下一次取樣。取樣積分器通常有定點式和掃描式兩種工作模式。定點式是測量周期信號的某一瞬態平均值，經過m次取樣平均后，其幅值信噪比改善為工而V；掃VnVni描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號波形上延時取樣，可用于恢復與記錄被測信號的波形，由于其采樣過程受到門脈沖寬度的限制，只有在門寬范圍內才能被取樣。方案三：鎖相放大器鎖相放大器也稱為鎖定放大器（Lock-In-Amplfier,LIA。它主要作為一個極窄的帶通濾波器的作用，而非一般的濾波器。它的原理是基于信號與噪聲之間相關特性之間的差異。鎖相放大器即是利用互

7、相關原理設計的一種同步相關檢測儀，利用參考信號與被測信號的互相關特性，提取出與參考信號同相位和同頻率的被測信號。鎖定放大器可在比被測信號強100dB的噪聲干擾中檢測出有用信號。其原理框圖如圖2-3。Vs(t)+Vn(t)帶通濾波鑒相器低通濾波器Vo本地振蕩器移相器圖2-3鎖相放大原理框圖鎖相放大器的核心部件是鑒相器，它實現了被測信號與參考信號的互相關運算。它把輸入信號與參考信號進行比較，當兩個信號相位完全相同時，即相位差為0時，經低通濾波后，輸出信號的直流分量達到最大，其正比于輸入信號中某一特定頻率（參考輸入頻率）的信號幅值。鎖相放大器具有很多優點：信號通過調制后交流放大，可以避免噪聲的不利影

8、響；利用相敏檢波器實現對調制信號的解調，同時檢測頻率和相位，噪聲同頻又同相的概率很小；利用低通濾波器來抑制噪聲，低通濾波器的頻帶可以做得很窄，并且其頻帶寬度不受調制頻率的影響，穩定性也大大提高。但是值得注意的是適合于鎖相放大器的檢測信號應該是單頻的，或者傳導頻譜所占頻帶是較窄的。綜合考慮，尤其根據是手頭現有器件的情況，我們選擇了利用鎖相放大器作為本次的檢測方案，并達到了預期的效果。3、理論分析與計算設輸入信號為：根據傅里葉變換，r(t)可用三角函數的形式表示為:r(t)與x(t)相乘后的結果為：上式第一項為差頻項，第二項為和頻項。在通過低通濾波器(LPF)后，所有的和頻項與差頻項都被濾除。最后

9、濾波器的輸出為：上式說明被測信號經過相敏檢波器(PSD和低通濾波器(LPF后，輸出正比于被測信號的幅度，同時正比于參考信號與被測信號的相位差的余弦函數，此時，輸出最大，從而實現鑒相與鑒幅。同時，有上式若測得輸出電壓可以反推得到輸入電壓的幅值：PSD信號的輸出信號由于被測信號與參考信號之間的相位差而產生很大的變化。受此影響，經過低通濾波器后的輸出電壓也會變化很大。如圖3-1所示:相位差0.相位差90.相位差18CT圖3-1相位差的影響通過圖3-1,我們可以看到只有在相位差為時才能很好的檢測被測信號的大小。通常，我們在進行測量時需要通過相移網絡把參考信號與被測信號之間的相位差調到再輸入到PSD4、

10、總體方案設計本設計系統框圖如圖4-1所示。系統通過把正弦信號與噪聲源通過加法器混合，通過電阻分壓網絡使噪聲衰減到一定程度，模擬淹沒在噪聲中的有用信號，再通過前置放大電路對信號進行預放大，再通過帶通濾波器選擇設計所需的通頻帶，然后通過以AD630為核心器件的鎖相放大器，輸出電壓經過低通濾波器之后得到一個直流電壓輸出，最后通過MSP430進行AD采樣、數據處理后送液晶顯示。在整個電路中放置了AE共5個測試點作為調試用。噪聲源正弦波信號源Vn處理液晶顯示4-1系統框圖5、硬件設計整個系統的電路頂層設計如圖5-1所示：包含了電源模塊、信號產生電路、前置放大與帶通濾波、鎖相放大模塊、低通濾波器、單片機處

11、理模塊這些部分。其中每個模塊的電源引腳部分都加入了去耦電容，PCB對電源線也進行了相應的圖5-1系統電路頂層設計覆銅處理，降低高頻干擾。其整體硬件實物圖見附錄Ao5.1 信號產生電路本電路模塊旨在產生一個能夠模擬實際中淹沒在噪聲中的微弱信號。包含加法器與純電阻分壓網絡兩部分。在實際電路中采用函數信號發生器產生頻率為500Hz2kHz振幅為的200mV2V正弦信號Vs同時使用提供的音頻信號作為噪聲源Vn。首先通過電壓跟隨器，再經過加法器實現信號的混合，芯片使用AD827來拓寬其頻帶到>1MHz帶寬，可調節音量使正弦信號完全淹沒在噪聲中。經過混合后的信號再通過一個純電阻分壓電路把信號衰減大約

12、100倍，得到輸入信號Vi0電路中取R5=R7=1kR6=R8=100其電路原理圖如圖5-2所示，并在適當位置預留了測試端口。圖5-2信號產生電路5.2 前置放大電路該電路用于對信號進行預放大處理，使其輸入到后級鎖相放大器的信號有個適當的幅度。其電路如圖5-3所示。采用TI公司的OPA2227這款低噪聲、高精度的運放（后改用AD827）。第一級放大倍數為11倍，第二級放大倍數為10倍,所以總共放大約110倍。同時在輸入端接入R10=2M,保證輸入阻抗Ri>1MC的要求。其電路連接如下圖所示。圖5-3前置放大電路5.3 帶通濾波電路為滿足設計要求，設計了一個帶寬為500Hz2KHZ勺帶通濾

13、波器，濾除所需頻帶外的噪聲，降低了噪聲對信號的干擾。設計選用了二階低通濾波器與二階高通濾波器構成二階帶通濾波網絡，由TI的濾波器設計軟件FilterPro可以設計得到帶通濾波器，其中R16=8.2k,R17=15k,C11=2nFC12=1nFR18=10KR19=24%運放使用TI的OPA2227其電品&如圖5-4所示。5.4 移相網絡該移相網絡用于對參考信號進行移相，其原理是RC相移，通過跳線選擇不同的接口，調整可變電阻來實現不同的相移。通過使用一片OPA2227實現對參考信號進行的相移。其中上方為0900的相移，下方的模塊實現901800相移。必須在下方的移相模塊中加入飽和電阻，

14、否則頻率過低時容易出現輸出信號飽和。其電路設計如圖5-5所示。5.5 鎖相放大電路鎖相放大電路采用AD630芯片作為核心，其電路如圖5-6所示。AD630是一款高精度的平衡調制器，具有出色的精度與溫度穩定性，非常低的通道用擾，高的共模抑制比和增益調節，同時還可以在外部加入反饋來實現所需增益與開關反饋布局，它可以從100dB噪聲中恢復信號，頻帶寬度達到2MHz。其信號處理應用包括：平衡調制與解調、同步檢波、相位檢測、正交檢波、相敏檢測、鎖定放大以及方波乘法等。實際上鎖相放大器與調制解調有些類似，只不過頻率更低。使用本芯片可以減少鑒相器與噪聲方面的許多考慮，大大減小開發難度與開發周期。,LIpT_

15、t|1|.圖5-6鎖相放大電路注意這里的電路連接具有2倍的增益。5.6 低通濾波電路本濾波電路采用TI的LF353運放設計，當鎖相放大電路輸出的信號經過低通濾波器之后可得到一個直流信號，其幅值與輸入信號中某一特定頻率（參考輸入信號的頻率）的信號幅值成正比，即。其電路如圖5-7所示。圖5-7低通濾波電路5.7 LaunchPad電路連接本設計以TI公司的MSP-EXP430G2_aunchPad作為數據處理模塊，具基本電路連接如5-8所示。,llI<枷Q圖5-8LaunchPad電路連接圖MSP-EXP430G2LaunchPad有很多優良特性：?USB調試與編程接口無需驅動即可安裝使用，

16、且具備高達9600波特率的UART串行通信”度?支持所有采用PDIP14或PDIP20封裝的MSP430G2xx和MSP430F20xx器件?分別連接至綠光和紅光LED的兩個通用數字I/O引腳可提供視覺反饋?兩個按鈕可實現用戶反饋和器件復位?器件引腳方便地用于調試目的，也可用作添加定制的擴展板的插座?高質量的20引腳DIP插座，可輕松簡便地插入目標器件或將其移除6、軟件設計本設計以TI提供的MSP-EXP430G2LaunchPOd核心，用MSP430G255切片機自帶的片上外設AD10對數據進行AD轉換，并做相應的處理然后送液晶顯示。其軟件流程圖如圖6-1。詳細的軟件代碼見附錄BA0中斷開始

17、CvtCnt=CvtCnt+1圖6-1軟件設計流程圖7、系統測試與結果分析7.1 測試儀器DS1102Effl100MHz1GSa/s雙通道數字示波器，TFG6030DDS函數信號發生器，數字萬用表。7.2 測試方案基本功能測試：固定1KHz改變輸入信號的峰峰值在200mV2V之間，記錄液晶顯示數據，計算誤差大小。拓展功能測試：調節使輸入信號頻率在500Hz2kHz范圍內，峰峰值在20mV2V范圍內，觀看液晶顯示數據，計算誤差大小。7.3 測試結果噪聲幅度：加法器帶寬：BW=0Hz6.4MHz純電阻網絡衰減倍數：10輸入阻抗Ri2M1M輸入輸出電壓幅度測量結果:表7-1輸入輸出電壓測量輸入信號

18、檢測結果wt(%)幅值(mV)頻率(Hz)幅度(mV)基本測試1001k10001011110002001k2000202111990.55001k50005020.44990.2；8001k7990.1258010.1258000110001k10010.110020.29990.11Vs拓展101k10011101001501k801k頻率拓展50050050080050015005002000117.4 結果分析經過測量，該裝置達到了并且還有很多地方超過了設計所需要求。但是仍然有很多提升的空間，例如可以通過使用外部的高速運放來提高采樣的分辨率，提高測量精度；可以設計雙相位鎖定放大器來提高

19、對任意頻率的測量；可以通過軟件算法來減小數據的波動；可以通過PCB布線布局，加屏蔽罩等措施提高裝置的高干擾能力等等8、總結本設計以AD630為核心器件的鎖相放大器對淹沒在噪聲中的微弱信號進行檢測，輸出的電壓經MSP-EXP430G2_aunchPad的處理，再通過液晶顯示出來。經過系統測試，能夠完成對微弱信號的檢測，所有指標都已經達到或者超過了設計要求。附錄A硬件實物圖附錄B軟件代碼main.c#include"msp430g2553.h”#include"ADC10.h"#include"LCD.h"#include"HalInit

20、.h"#defineFilter_N64floatFilter(unsignedintpData);/voidmain(void)WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;SysInit();P2DIR|=BIT3+BIT4;_low_power_mode_0();12/#pragmavector=TIMER0_A0_VECTOR_interruptvoidTA0_ISR(void)1一unsignedintData;floatTempData;staticunsignedintCvtCnt=0,valueFilter_N;CvtCnt+;if(CvtCnt<=Filter_N

21、)(ADC10Read(&Data,1);valueCvtCnt-1=Data;)else(P2OUTA=BIT4;CvtCnt=0;TempData=value0;TempData=Filter(value);TempData=1500*TempData/1023;/專換成采樣電壓數據TempData*=0.785398;/微據處理LCD_Disp(unsignedint)TempData);).)/floatFilter(unsignedintpData)(unsignedintCnt;unsignedlongSum=0;for(Cnt=1;Cnt<=Filter_N;Cnt

22、+)(.Sum+=pDataCnt-1;)return(float)(Sum/Filter_N);)./Hallnit.c#include"LCD.h"#include<msp430g2553.h>13#include"Hallnit.h"#include"ADC10.h"/voidSyslnit(void)(ClkInit();LCD_init();ADC10Init(1,0,0);LCD_Gui();TimerA0Init();IE1|=WDTIE;_EINT();/voidTimerA0Init(void)(TA0C

23、TL=TASSEL_1+TACLR;TA0CCTL0=CCIE;TA0CCR0=339;TA0CTL|=MC_1;/voidClkInit(void)(if(CALBC1_12MHZ=0xFF|CALDCO_12MHz=0xFF)(/IfcalibrationconstantserasedP1DIR|=BIT6;/donotload,trapCPU!P1OUT|=BIT6;while(1);BCSCTL1=CALBC1_12MHZ;/SetDCOto8MHzDCOCTL=CALDCO_12MHZ;/voidLCD_Gui(void)(LCD_draw_lineX(0,83,0);LCD_dra

24、w_lineY(0,0,47);LCD_draw_lineY(83,0,47);LCD_show_char(8,3,'m');LCD_show_char(9,3,'v');LCD_write_stringxy(2,1,"Peakvalue:");14LCD_Disp(0);)/ADC.c#include"msp430g2553.h”#include"ADC10.h"/voidADC10Init(unsignedcharSelectRef,unsignedcharConvtMode,unsignedcharInpu

25、tChannel)/voidADC10Start(void)ADC10CTL0|=ENC+ADC10SC;/Samplingandconversionstart)/unsignedintADC10Read(unsignedint*pData,unsignedintDatNum)unsignedinti;if(ADC10CTL1&CONSEQ1)=0)/單次轉換for(i=0;i<DatNum;i+)ADC10Start();_bis_SR_register(CPUOFF+GIE);/LPM0,ADC10_ISRwillforceexitwhile(ADC10CTL1&AD

26、C10BUSY);P2OUTA=BIT3;*pData+=ADC10MEM;ADC10CTL0&=-(ENC);)else/府歹！J轉換ADC10DTC1=DatNum;/傳輸數據個數ADC10SA=(unsignedshort)pData;ADC10Start();_bis_SR_register(CPUOFF+GIE);/LPM0,ADC10_ISRwillforceexit15ADC10CTL0&=ENC;)return1;)/#pragmavector=ADC10_VECTOR_interruptvoidADC10_ISR(void)1一_bic_SR_register

27、_on_exit(CPUOFF);/ClearCPUOFFbitfrom0(SR)/voidLCD_PortInit()(P1DIR|=BIT1+BIT2+BIT3+BIT4+BIT5;P2DIR|=BIT0+BIT1+BIT2+BIT3;NOKIA5110_VCC_ON;NOKIA5110_GND_ON;)/LCD.c#include"LCD.h"/*useSPIsendbyte*/voidLCD_sendbyte(INT8Udat,INT8Ucommand)(.INT8Ui;NOKIA5110_CE_L;Delay_us(1);if(command=0)(NOKIA51

28、10_DC_L;/傳送命令Delay_us(1);).else(NOKIA5110_DC_H;/傳送數據Delay_us(1);).for(i=0;i<8;i+)(if(dat&0x80)16NOKIA5110_DIN_H;Delay_us(1);).else(NOKIA5110_DIN_L;Delay_us(1);).NOKIA5110_CLK_L;dat=dat<<1;NOKIA5110_CLK_H;Delay_us(1);).NOKIA5110_CE_H;Delay_us(1);)./*LCD_set_xy*/voidLCD_set_xy(INT8Ux,INT8

29、Uy)(LCD_sendbyte(0x80|x,0);/x-0to83LCD_sendbyte(0x40|y,0);/y-0to5)/*LCDclear*/voidLCD_clear()(.INT8Ui,j;LCD_sendbyte(N5110_DE_2,0);/iS定顯示模式，正常顯示LCD_sendbyte(RAM_X_ADDR_START,0);設置RAM起始地址for(j=0;j<6;j+)(for(i=0;i<84;i+)(LCD_sendbyte(0,1);).17/*LCD初始化*/voidLCD_init()INT8Ui;LCD_PortInit();NOKIA51

30、10_RST_L;產生一個讓LCD復位的低電平脈沖/Delay_Nms(5);for(i=0;i<50;i+)_NOP();_NOP();_NOP();NOKIA5110_RST_H;NOKIA5110_LED_ON;LCD_sendbyte(0x21,0);/位用擴展命令設置LCD模式chipisactive&horizontaladdressing(H=1)LCD_sendbyte(0xc8,0);/設置電壓VLCD=3.06+0.06*Vop,LCD_sendbyte(0x06,0);/VLCD溫度系數2LCD_sendbyte(0x13,0);/股置偏置系統(BSx)1:

31、48LCD_sendbyte(0x20,0);/X作模式，水平尋址，常規指令(H=0)LCD_sendbyte(N5110_DE_2,0);/iS定顯示模式，正常顯示displayinnormalmodeLCD_sendbyte(RAM_Y_ADDR_START,0);/起始頁地址0LCD_sendbyte(RAM_X_ADDR_START,0);/起始歹U地址0LCD_clear();/NOKIA5110_LED_OFF;/*displayaasciifont6*8*/voidLCD_write_char(INT8Uc)一一INT8Uline;c-=32;/ASCII前32個不可顯示for(

32、line=0;line<6;line+)LCD_sendbyte(ASCIIcline,1);/*名稱:LCD_show_char(INT8Ux,INT8Uy,INT8Uc)*功能：在任意位A輸出一個8*16的ASCII字符18*說明：x:0-9y:0-2c：字符的首地址*備注:每行最多只能顯示10個字符(n*8<=84)*/voidLCD_show_char(INT8Ux,INT8Uy,INT8Uc)(INT8Ui,j;c-=32;/地址x*=8;字寬y*=1;/四行顯示for(i=0;i<2;i+)(LCD_set_xy(x+2,y+i);/設置地址for(j=0;j&l

33、t;8;j+)LCD_sendbyte(nAsciiDotcj+8*i,1);I*英文字符串顯示函數*/voidLCD_write_stringxy(INT8Ux,INT8Uy,INT8U*p)(LCD_set_xy(x,y);while(*p)(LCD_write_char(*p);p+；/*英文字符串顯示函數*/voidLCD_write_string(INT8U*p)(while(*p)(LCD_write_char(*p);p+；/*19*名稱:show_string(INT8Ux,INT8Uy,INT8U*str)功能：在任意位置輸出一審8*16的ASCII字符說明：x:0-9y:0

34、-2*str：字符串的首地址備注:每行最多只能顯示10個字符(n*8<=84)*/voidLCD_show_string(INT8Ux,INT8Uy,INT8U*str)(while(*str!='0')(LCD_show_char(x+,y,*str+);charstaticnumber_array=”0123456789”;便于顯示數字，與下面LCD_Disp_Num()函數有關/*LCD_Disp_NumFunction:WriteadecimalnumberonLCD0<Num<9voidLCD_Disp_Num(INT8Ux,INT8Uy,INT16

35、UNum)(LCD_set_xy(x,y);LCD_write_char(number_arrayNum);一一一voidLCD_Disp_BNum(INT8Ux,INT8Uy,INT8Un)(unsignedi;LCD_set_xy(x,y);for(i=0;i<15;i+)LCD_sendbyte(Numni,1);LCD_set_xy(x,y+1);for(i=0;i<15;i+)LCD_sendbyte(Numni+15,1);LCD_set_xy(x,y+2);for(i=0;i<15;i+)LCD_sendbyte(Numni+30,1);LCD_set_xy(x,y+3);for(i=0;i<15;i+)LCD_sendbyte(Numni+45,1);20)I* *名稱:L