微弱信号检测装置(国科大电子电路大作业)要点

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

第一章绪论 (2)

1.1 微弱信号检测技术概述 (2)

1.2 信号检测的方法及微弱信号的特点 (2)

1.2.1 常规小信号的检测方法 (2)

1.2.2 微弱信号的检测方法 (4)

1.2.3 微弱信号的特点 (4)

1.3 本文的主要工作 (5)

第二章微弱信号检测装置设计方案选择与论证 (6)

2.1 方案选择与论证 (6)

2.1.1 系统方案的确定 (6)

2.1.2移相网络设计 (9)

2.2总体方案论述 (9)

第三章基于锁相放大的微弱信号检测装置设计 (10)

3.1 锁相放大器原理 (10)

3.2 移相网络 (10)

3.3 相敏检波器原理分析 (11)

3.4 电路设计 (12)

3.4.1加法器 (12)

3.4.2纯电阻分压网络 (12)

3.4.3前级放大电路模块 (13)

3.4.4带通滤波器 (13)

3.4.5相敏检波器 (13)

第四章仿真分析与程序设计 (16)

4.1 仿真分析 (16)

4.1.1 输入信号波形（前置两级放大电路输入波形） (16)

4.1.2 经过前置放大电路和带通滤波器后输出波形 (16)

4.1.3 参考信号输入输出波形 (17)

4.1.4 LM311过零比较器输出波形 (18)

4.1.5 开关乘法器输出波形 (18)

4.1.6 低通滤波输出波形 (19)

4.2 程序设计 (20)

第五章实物展示与测试方案及结果 (21)

5.1 实物展示 (21)

5.2 测试方案与测试结果 (21)

5.2.1 测试仪器 (21)

5.2.2 测试方案 (21)

5.3测试结果及分析 (23)

5.4 总结 (23)

微弱信号检测装置

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 of weak signal detection is based on lock-in amplifier device,used for the detection of known weak sinusoidal signal under strong noise background frequency . 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 sig nal 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 square wave to drive swtich multiplier CD4053, finally through the low pass filter output DC signal detection of weak signal ,the DC signal was transmitted into the mircrocontroller processing , then the liquid crystal displayed. The system achieves the tiny signal successfully.

Key Word：weak signal strong noise phase sensitive detection

第一章绪论

1.1 微弱信号检测技术概述

在自然现象和规律的科学研究和工程实践中荧光光强；卫星信号的接收；红外探测以及经常遇到需要检测毫微伏量级信号的问题，比如测定地震的波形和波速；材料分析时测量生物电信号测量等，这些问题都归结为噪声中的微弱信号的检测。微弱信号检测技术是采用电子学，信息论，计算机和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。微弱信号检测的宗旨是研究如何从强噪声中提取有用的信号，任务是研究微弱信号的检测的理论。在现代信息技术领域中，微弱信号检测是一项重要的内容，同时也是工程技术中人们获得各种有用信息的一项重要手段。

微弱信号的概念有两种含义：一种是有用信号的幅度相对于噪声显得很微弱；另一种是有用信号的幅值本身绝对值很小。研究噪声中微弱信号检测的原理和方法，是信号处理技术中的综合技术和尖端领域。运用这种技术可以检测到传统观念认为不可能检测的微弱量（如：弱光，小位移，微小振动，弱声，微电流等），大大提高了微弱信号的检测精度。随着社会以及科技的发展，微弱信号检测在雷达、声纳技术、振动测量、故障诊断、通信、物理学、系统辨识等领域有着广泛的应用，在国内外也越来越受到重视。随着科技的发展对微弱信号进行检测的需求日益迫切。

1.2 信号检测的方法及微弱信号的特点

1.2.1 常规小信号的检测方法

与微弱信号相比，小信号的信噪比要高的多，检测技术也更容易些。从提高信噪比，从而检测出被噪声污染的有用信号的角度来看，小信号检测和微弱信号检测有一定的共同之处，以下是常规小信号的检测方法，对微弱信号检测具有一定的参考价值。

⑴滤波

在大部分检测仪器中都需要对模拟信号进行滤波处理，有的滤波时为了隔离直流分量，有的滤波时为了改善信号波形，有的滤波是为了防止离散化的频率混叠，更多的滤波是为了克服噪声的不利影响，从而提高信噪比。根据噪声和信号的不同特性，常用的抑制

噪声的滤波器为低通滤波器（LPF）和带通滤波器（BPF），此外，有时为了抑制某一特定频率的干扰噪声的不利影响，有时带阻滤波器（即陷波器）。

⑵调制放大与解调

对于缓变信号或者直流信号，若未经变换处理而直接用直流放大器进行放大，则传感器和前级放大器的1/f 噪声以及缓慢漂移（包括温度漂移和时间漂移）经过放大器后会以很大的幅度出现在后级放大器的输入端，当有用信号幅度很小时，可能根本检测不出来。而简单的电容隔直方法能有效地抑制漂移和低频噪声，但是对有用信号的低频也具有衰减的作用。在这种情况下，利用调制放大器能够有效的解决上述的问题。这样的调制放大器大多采用幅度调制的方法。

⑶零位法

图1 零位法检测信号原理图

一般的直接指示测量仪表方法是将被测信号放大到一定的幅度，以驱动表头指针的偏转角度来指示被测量的大家；零位法是调整对比量的大小，使其尽量接近被测量量，由对比量指示出被测量的大小，如图1所示。图中零位表指针只用来表示，被测量和对比量之间的差异值，当零位表指示近似为0时，对比量大小就表征了被测量的大小。

1.2.2 微弱信号的检测方法

锁相放大器微弱信号检测

常规的微弱信号检测方法根据信号本身的特点不同，一般有三条途径：一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高信噪比；二是研制适合微弱检测原理并能满足特殊需要的器件，如锁相放大器；三是利用微弱信号检测技术，通过各种手段提取信号，锁相放大器由于具有中心频率稳定，通频带窄，品质因数高等优点得到了广泛的应用。常用的模拟锁相放大器，虽然速度快，但是参数稳定性和灵活性差；传统的数字锁相放大器一般使用高速的A/DC对信号进行高速采样，然后使用比较复杂的算法进行锁相运算，这对微处理的要求较高；现提出的新型锁相检测电路是模拟与数字方法的有机结合，这种电路将待测信号和参考信号相乘的结果，经过高精度的ADC采样，采样率不高，因此对于处理器的运算能力和速度要求不高，算法和电路更加简单。

1.2.3 微弱信号的特点

⑴待检测信号的信噪比较低

待测信号本身幅值比较低，同时在获取或转换、传输过程中又受到环境噪声以及获取、转换和传输设备本身的噪声干扰，所以待测信号的信噪比较低。

⑵实时性

在通讯、雷达、医学成像等领域对微弱信号检测技术都有广泛的要求，而在这些场合应用对实时性的要求也比较高。传统的WSD方法分为频域分析法和时域分析法。除了前面提到的一系列测量方法外，还有取样积分法，时域平均法以及一些比较新的WSD方法，如差分振子法、高阶统计量、小波分析、随机共振、神经网络、独立分量分析法等等。

1.3 本文的主要工作

第一章绪论，简要介绍了微弱信号检测技术的概念，小信号和微弱信号检测的几种方法以及微弱信号检测技术的特点。

第二章主要介绍了本文微弱信号检测装置的设计方案的选择以及总体的设计思想。

第三章主要介绍基于锁相放大的微弱信号检测装置设计。本章从加法器单元电路的设计、纯电阻单元电路的设计、锁相放大器电路的设计这几个方面对微弱信号检测装置进行理论计算和分析。

第四章各部分仿真结果分析及软件设计。

第五章测试方案、实物展示与测试结果。

第二章微弱信号检测装置设计方案选择与论证

2.1 方案选择与论证

2.1.1 系统方案的确定

设计微弱信号检测装置的核心在于微弱信号检测电路，因此重点考虑此部分方案的选择与论证。

方案一：带通滤波

设计以目标频率为中心频率的带通滤波器，则该滤波器只允许与目标频率同频率的正弦信号通过。

优点：这种方法电路设计相对便捷，结果直观，能直接将目标信号从混合中提取出来。

缺点：①电路稳定性较难控制，滤波器很难达到极高的Q值。

②对元器件精度要求较高（如电阻、电容值）。

③滤波器中心频率一经确定，很难再依据信号的频率改变而改变，无法实现较宽频带范围内的正弦信号提取。

图2.1.1 窄带滤波系统框图

如图2.1.1为窄带滤波系统框图。窄带滤波利用了信号的功率谱密度较窄而噪声的功率谱相对很宽的特点，所以窄带滤波器的作用是滤掉宽带噪声，只让有用信号通过，将窄带信号提取出来。由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一部分通过而滤掉了大部分噪声功率，因此输出信噪比可以有很大改善。

晶体窄带滤波器可以做到等于万分之几左右提高信噪比，但是即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，所以这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。

方案二：取样积分电路

取样积分电路，适合衰减性较强和周期信号处理的信号检测。

优点：在重复信号出现的期间取样，并重复N

倍。

缺点：①数据运算量较大，耗时，效率低下。

②不利于重复频率的信号恢复。

③不适宜单片机处理和实时显示。

图2.1.2 取样积分电路系统框图

如图2.1.2为取样积分电路系统框图。取样积分器通常有两种工作模式，即定点式和扫描式。定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬态平均值，它利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，因为信号提取

(取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比。在定点取样积分的基础上，顺序改变取样点的位置，就得到以扫描方式工作的取样积分器。当取样脉冲对准1t位置取样积分m次后，将取样脉冲在时间轴上向右移动Δt；对准2t位置再取样m次，然后又向右移动Δt，对准3t取样积分m次……直到取样脉冲移动扫过信号的一个完整的周期，因此在积分器输出端得到的输出波形是将原被测信号拉长了的波形。

因为输入的噪声较大，需要取足够多的样点才能取得较精确的值，采样点取得越多，一次检测需要的波形个数越多，即要花费更长的时间，提取有用信号波形的效果是以延长测量时间为代价的。

方案三：锁相放大法

锁相放大电路检测微弱信号。

原理：采用了互相关原理, 利用参考信号与输入的有用信号具有相关性,而参考信号与噪声互不相关, 通过相敏检波及低通滤波完成互相关运算, 从而达到抑制噪声的目的。

组成：信号通道、参考通道、和相敏检波器等组成锁相放大器。

其中相敏检波器（PSD）是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有很好的检波特性。

优点：具有极强的抗噪声性能，在强噪声弱信号的背景下，能稳定的工作。

图2.1.3 锁相放大电路系统框图

如图2.1.3为锁相放大电路系统框图。

综上：从抗噪声性能等角度综合考虑，选择方案三。

2.1.2移相网络设计

因为检测电路选择了锁相放大器，而移相网络是锁相放大器中的一部分，在此进行分析。方案一：全通滤波器模拟移相电路

一阶全通滤波器的移相范围接近180度，所以通过设计两级滤波则可使移相范围达到360度。

方案二：数字移相法

数字移相可以在4个象限内进行0～89°的调节，合起来即实现了0～360°的移相，由集成芯片控制频率和相位预值，如用CD4053锁相环组成。

方案一与方案二相比，电路简单可靠，且方案二增加了电路的复杂度，成本也很高。

故选择方案一。

2.2总体方案论述

综上所述，本系统总体框图如图2.2所示，系统由加法器、衰减器（纯电阻分压网络）、前置放大电路、带通滤波器、同相电路、反相电路、移相器、开关电路和低通滤波器构成；其中由同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，使得信号湮灭在噪声中，然后经过衰减器衰减100倍以上，送到由放大电路、带通滤波、同相、反相、移相、比较和低通滤波器构成微信号检测电路中。本系统以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相电路和比较器输出方波驱动开关管乘法器，输出直流信号然后通过单片机A/D转换，最后在液晶上显示出来。

图2.2系统总体框图

第三章基于锁相放大的微弱信号检测装置设计

3.1 锁相放大器原理

锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成，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为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、同相的噪声分量有响应。所以它能大幅度抑制噪声信号，提取出有用信号。一般锁相放大器具有极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益可达220dB，能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。

由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声能力。它和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。

3.2 移相网络

因为输出信号与信号的相位差有关，所以必须加入移相网络。

移相是指两种同频的信号，以其中一路为参考，另一路相对于该参考做超前或滞后的移动，即称为相位的移动。由方案论证得，本设计采用模拟移相电路。模拟移相电路其实就是一个全通滤波电路，它的放大倍数Au=（-1+jwRC）/(1+jwRC)，写成模和相角的形式为：|Au|=1,φ=180°-2arctan（f/f0），其中f0=1/（2πRC）。每个滤波器相移范围均接近180°，所以本设计采用2个一阶全通滤波器串联，使得整个移相电路能做到接近360°的相移范围。

如图3.1，为全通360o移相网络，作为相敏检波器的第一级。

图3.1 全通移相网络

3.3 相敏检波器原理分析

相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器，本设计采用开关式乘法器。相敏检波器（PSD ）的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波，当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大。其中图3.2为相敏检波器的基本框图。

图3.2 PSD 基本框图

工作过程如下：设输入信号为0()cos()s x t V t ωθ=+。参考输入()r t 时幅度为r V ±的方波，其周期为T ，角频率为02/T ωπ=，根据傅里叶分析的方法，这种周期性函数可以展开为傅里叶级数

0001

1

()cos sin m m m m r t a a m t b t

ωω∞

∞

===++∑∑

可得()r t 的傅里叶级数表示式为

1

014(1)()cos[(21)]21

n r

n V r t n t n ωπ+∞

=-=--∑ 1

1

01122(1)(1)()()()cos[(22)]cos(2)21

21n n s r

s r p n n V V V V u t x t r t n t n t n n ωθωθπ

π++∞

∞

==--==

--++--∑∑g

上式右边第一项为差频项，第二项为和频项。经过LPF 的滤波作用，1n >的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩1n =的差频项为

2()cos s r

p V V u t θ

π

=

当方波幅度1r V =时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当()r t 为1+时，电子开关的输出连接到()x t ；当()r t 为1-时，电子开关的输出连接到()x t -，这时LPF

的输

出为

2()cos s

o V u t θ

π

=

当经过开关乘法器，角度之差为0时，输出信号最大。

3.4 电路设计

3.4.1加法器

加法器采用差分放大器INA2134，无需外接电阻，即可做到0S N V V V =+,电路简单可靠，电路如图3.3所示。

图3.3 加法器电路图

3.4.2纯电阻分压网络

分压采用直接电阻分压，通过调节电阻R 6的值，可以获得不同的分压，为了获得较好的分压结果，R 5、R 6均采用精密电阻，如图3.4所示。

图3.4 纯电阻分压网络电路图

3.4.3前级放大电路模块

为了使微弱检测电路的输入阻抗 1MHz，所以它的第一级为同相放大电路，则它的输入阻抗至少大于1MHz，采用两片INA128作为运放放大100倍，第一级放大6倍，第二级放

大16倍，INA128的放大倍数，选择电阻R分别为10KΩ，3.3KΩ；INA128外围电路简单，输入阻抗高，并且有效抑制共模干扰，如图3.5所示。

图3.5 前置两级放大电路图

3.4.4带通滤波器

将低通滤波器与高通滤波器串联，就可以得到带通滤波器，因为输入信号的频率范围为500Hz~2K，所以带通滤波器的通带必须包含这个频率范围，带入参数可得带通滤波器电路如图3.6所示。

图3.6 带通滤波电路图

3.4.5相敏检波器

如图3.7所示，为锁相放大器相敏检波电路原理图。带通滤波器的输出V OUT1同时经过

同相和反相跟随器后，输入到开关乘法器CD4053；然后另一路将参考电源V REF先经过移相网络，接着滤掉直流，然后经过用LM311构成的单限过零比较器，得到方波去驱动CD4053。

图3.7 相敏检波电路

如图3.8所示，LM311为过零比较器，相敏检波器第二级。经过同相器和反相器进入开关乘法器CD4053，为相敏检波器第三级，如图3.9所示。最后经过低通滤波，截止频率为1Hz，滤出直流信号，如图3.10所示。即图3.8-3.9 构成了相敏检波的核心。

图3.8 LM311过零比较器

图3.9 CD4053开关乘法器

图3.10 一阶低通滤波

CD4053的输出最后经过由OPA2131构成的可调低通滤波器，该滤波器的R=1MHz，

C=1u，算出截止频率为1Hz，能够达到滤波的效果，具体电路为图3.10所示。

第四章仿真分析与程序设计

4.1 仿真分析

4.1.1 输入信号波形（前置两级放大电路输入波形）

图 4.1 前置两级放大电路输入波形

如图4.1所示，为前级两级放大电路的输入波形，即输入信号为幅值10mv的方波。4.1.2 经过前置放大电路和带通滤波器后输出波形

如图4.2所示，为经过前置放大电路和带通滤波器后输出波形，输入的方波幅值为10mv，经过前置放大电路后，幅值为973.215mv，大约放大了100倍，经过带通滤波后，变成三角波，幅值约为100mv。

图 4.2 经过前置放大电路和带通滤波器后输出波形4.1.3 参考信号输入输出波形

图 4.3 参考信号输入输出波形

如图4.3所示，为参考信号输入波形，即进入全通移相网络前的输入波形，参考信号的输入波形幅值为223.121mv，输出波形幅值444.727mv。

4.1.4 LM311过零比较器输出波形

图 4.4 LM311过零比较器输出波形

如图4.4所示，，三角波经过LM311过零比较器产生方波的输出，用来控制CD4053的开关特性。

4.1.5 开关乘法器输出波形

如图4.5所示，由带通滤波器的输出波形经过同相器和反相器和过零比较器产生的方波信号共同作为开关乘法器CD4053的输入信号，作为相敏检波器的第三级，产生的输出信号，作为下一级低通滤波的输入信号。

图 4.5 开关乘法器输出波形4.1.6 低通滤波输出波形

图 4.6 输出波形