2012年江苏省电子设计大赛A题微弱信号检测装置设计报告

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本作品使用TI 公司的OPA134运算放大器、INA2134PA音频差动放大器、
OPA2228、IF353 等芯片为主要控制器，辅以电源、MPS430系列单片机、LCD显
示等电路， 实现了设计并制作出一套微弱信号检测装置。其中锁相放大器（lock
－in. Amplifier 简称LIA）在此作品中就是检测淹没在噪声中的微弱信号，它
可用于测量交流信号的幅度和相位， 有极强的抑制干扰和噪声的能力， 有极高的
& _8 R: l) T1 ]" k0 J灵敏度，可测量毫微伏量级的微弱信号。首先通过把噪声源放大， 使之输出的均
* |/ h- @. V# y方根电压值满足要求； 然后使用加法器将函数发生器产生的有用信号与放大之后
- ?& {1 f0 v' X8 L的噪声源叠加成为一个信号。之后通过纯电阻网络进行衰减， 再通过锁相环放大
  L- }0 i' H& f1 p5 w7 K' G电路进行检波滤波，最后通过单片机AD采集相敏检波得到的直流信号电压通过
' a% U! W* T4 `- ]3 ?6 B/ L: |滤波算法从而得到准确的幅值信息并在12864 上显示出。
: S8 o4 K$ |5 }# n6 m3 I% P
本作品的任务是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
3 [# G! _: E3 B8 c+ q! v% }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即峰值。正弦波
信号源是由函数发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（ wav文件）来产生，
% H  G# S4 E# |* t0 i; H1 k通过MP3的播放器播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声的幅度通过
3 T) l7 f2 U$ h1 V: C0 J* s调节播放器的音量来进行控制。
2、系统结构
( G0 M' H6 |  P' ~+ Q% h本作品以TI 公司生产各种芯片为主要控制部件，设计并制作一套微弱信号
+ P3 @0 G; f4 z& @: P检测装置。系统包含以下几个部分： MSP430单片机最小系统、放大器、加法器、
: A9 q& r, F- ^/ N9 u9 ~纯电阻分压网络、微弱信号检测电路以及增强后继驱动能力的跟随器。通过单片
+ i1 h- F& h7 W6 g; p4 o机对微弱信号的处理在LCD12864上显示出信号的峰值。
. C( o. i( o' N- c: ?, V
3 d, D/ C- O7 Q7 l3、实现方法
2 t( C2 C& ^1 c+ N( v- \8 G首先通过把噪声源放大，使之输出的均方根电压值固定为1V 0.1V；然后
使用加法器将函数发生器产生的有用信号与放大之后的噪声源叠加成为一个叠
8 p$ ~2 a! H  A3 \  n9 V正弦波信号源
% O7 H: e9 f7 ]: X  A) j
2
+ d. b' a) H9 G加信号。之后通过纯电阻网络将其衰减100 倍，再通过锁相环放大电路进行检波
" a$ B5 o5 S* f7 u滤波，最后通过单片机AD采集相敏检波得到的直流信号电压通过滤波算法进而
/ W' K5 e/ D* A- \4 p- b" d4 K9 v得到更准确的幅值信息并在12864 上显示出。
% c' T' L) c2 [4、方案选择
+ J  `" |' q: t' Z2 J+ \方案一：选用带通滤波滤除频率远大于和远小于中心频率1KHZ的噪声信号。
但是对于与有源带通滤波来说， 有源滤波器不需要电感， 能够提供增益， 同时还
可以与电压跟随器相结合使用，使得滤波器每级与电源和负载阻抗的影响隔离
& H3 k- k  B3 f7 u1 d8 Z开，这种隔离允许独立设计滤波起各级，然后级联起来实现所要求的传递函数。
# @7 c; a+ O" v0 ^4 p" E但是，一般只有理想化的带通滤波才能完全滤掉干扰信号， 而现实的滤波器不能。
0 a& @# Y1 X% V( N5 n方案二：选用锁相放大电路滤除噪声信号。锁相放大器是一种对交变信号
进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作
8 c. p" g  ?- F为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频） 、同相的噪
& F( ~& L# x: E7 [3 }5 W  p/ G声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放
大器有很高的检测灵敏度， 信号处理比较简单， 是微弱信号检测的一种有效方法。
: P. Z% ]% N$ X9 A6 i+ g, [用锁相滤波， 通过相敏检波得到关于相位差和原始信号幅值的直流信号， 通过计
3 U' Z! X) F/ s3 |# M算可得原始信号幅值。
, @: n% |. V! z8 Q+ ~! f两种方案的缺点： 由于衰减后信号强度很小， 滤波完成后得到的直流信号也
. y/ S# u" K$ s% W1 L" l很小，加之电流源对电路带来的工频信号参杂在直流信号里使得得到的信号浮动
大，进而使测得的幅值精度大大减小。
因此本次作品是以两种方案相结合的方式，先用有源带通滤波进行一级滤
波，然后再通过锁相放大进行二级滤波。但是，方案一有很多不足之处，所以在
方案一的基础上对于它的不足之处进行改进， 在滤波时增大运放增益， 使得目标
0 r- s+ f/ Z% \+ v$ f% g信号强度增强，从而减小工频信号的影响。这样就可以得到更准确的测量幅值。
所以综上所述，经过综合考虑将方案一二结合运用。
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! N; w; Z2 b$ t4 b二、理论分析与计算
  K% ^; J1 J! S6 R! ?1、理论分析
' P# |' i. ^+ r9 m! M基础部分
! O$ h$ h. X" `& T! }% v2 l2 J因为1KHZ的正弦有用信号参杂噪声之后如果仅仅使用带通滤波，虽然可以
9 c! Z6 T" v0 I! s1 A" i8 U滤到一部分杂波， 但由于是微弱信号直接滤波效果不明显， 于是决定先使用带通
惊行一次滤波之后再采用锁相环放大电路滤波可以滤出更多的杂波得到有用波。
! D  X8 H" S1 B4 j" ~因为对后继电路需要有更大的驱动能力， 所以在设计的过程中加入多个跟随
) B1 Z) p! W0 {1 O器，提高其带负载的能力。
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