“微弱信号检测技术”仿真报告
微弱信号检测装置(实验报告)剖析
2012年TI杯四川省大学生电子设计竞赛微弱信号检测装置（A题）【本科组】微弱信号检测装置（A题）【本科组】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。
微弱信号检测技术的研究
文献标识码：Ａ
文章编号：１ ６７１ － ４７９２－ （２００９）１ － ００２７－ ０４
Abstract： Ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｔｏ ｔａｋｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｅｘｔｒａｃｔ ｕｓｅｆｕｌ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｒｏｍ ｎｏｉｓｅｓ， ｔｈｅ ｋｅｙ ｌｉｅｓ ｉｎ ｎｏｉｓｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ／ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｓｅｆｕｌ ｓｉｇ－ ｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ／ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｅｆｌｙ ｔａｌｋｓ ａｂｏｕｔ ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｂｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｓｉｇ－
测信号的目的。微弱信号检测的关键在于抑制噪声，恢复、增
图一 推导 ＳＮＩＲ 的示意图
２７
科技广场 ２００９．１
输入噪声为带宽白噪声，其噪声带宽 Ｂｉ，噪声功率谱密度为 Ｓｎｉ，则输入噪声的均方值为 Ｖｎｉ２＝Ｓｎ·ｉ Ｂｉ。若系统的电压增益为 Ｋｖ（ｆ），系统的噪声等效宽带为 Ｂｅ，则输出噪声的均方值为：
微
弱
信
号
微弱信号检测技术的研究
检 测
技
术
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｗｅａｋ Ｓｉｇｎａｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ
的
研
究
杨汉祥
Ｙａｎｇ Ｈａｎｘｉａｎｇ
（赣南师范学院物理与电子信息学院， 江西 赣州 ３４１０００）
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｇａｎｎａｎ Ｔｅａｃｈｅｒｓ’Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｊｉａｎｇｘｉ Ｇａｎｚｈｏｕ ３４１０００）
微弱信号检测——基于自相关检测的微弱信号分析与仿真
器问世[5]，锁相放大器在微弱信号的测领域中受到了广泛的重视与应用[5]。在过去的几十年 里， 锁相放大器的研究有了突飞猛进的发展， 锁相放大器由早期的模拟电路发展到现在的数 字电路，其性能有了很大的改善，提高了系统的精度和拓宽了动态范围。锁相放大器的原理 主要是应用相干检测完成对待测信号的频率迁移过程。 近些年来， 国内对于锁相放大器的研究有了很大的进展， 主要的研究公司有南京鸿宾微 弱信号检测有限公司等[5]。其对具有代表性的是 HB-211 精密双相锁相放大器，其输入信号 频率范围 5Hz〜lOOKHz,输出总动态范围大于 120dB。 相比与国内，国外对锁相放大器的研究比较成熟，国外代表性的锁相放大器有 SRS(sta nford Research System)公司的 SR8XX 系列[5]， 日本 NF 公司的 LI5630/5640 锁相放大器和美 国 SIGNAL RECOVERY 公司的 Model7265 系列锁相放大器比较具代表性的锁相放大器 Mo del7265[5]。 Model7265 为数字双相锁相放大器，输入信号频率范围为 0.001Hz〜250KHz,最大动态 范围大于 100dB, 具有双参考模式。新一代的锁相放大器具有较为理想的动态范围和稳定性 。目前，相比于国内，国外的输入信号频率范围、稳定性等较好与国内，国内锁相放大器的 性能仍有很大的提升空间。 1.4 研究的内容 本文主要讲述了微弱信号检测中的相关检测法以及 MATLAB 的仿真。 第一节，相干检测的原理。简要说明了微弱信号检测的原理。详细说明了自相关检测和 互相关检测的原理，并简单的对两者进行了比较。 第二节，相干检测的 MATLAB 仿真。给出了 MATLAB 的仿真程序。 第三节，总结。总结了这学期的课程学习，以及对微弱信号检测这门课程的理解。
微弱信号检测学习总结报告
微弱信号检测学习总结报告1 本课程的基本构成本课程目录：第1章微弱信号检测与随机噪声第2章放大器的噪声源和噪声特性第3章干扰噪声及其抑制第4章锁定放大第5章取样积分与数字式平均第6章相关检测第7章自适应噪声抵消本课程分为七章：第一章主要介绍随机噪声的统计特性，是后续各章的理论基础。
第二章主要介绍电路内部固有噪声源及其特性，对各种有源器件的噪声性能进行分析，并阐述低噪声放大器设计中需要考虑的几个问题。
第三章介绍干扰噪声的来源、特点及各种耦合途径，并详细介绍屏蔽和接地对于各种干扰噪声的抑制作用，以及其他一些常用的抗干扰措施和微弱信号检测电路设计原则。
第四~七章分别为锁定放大、取样积分与数字式平均、相关检测、自适应噪声抵消，分别介绍这几种方法的理论基础、设计实现以及一些应用实例。
因此本课程（微弱信号检测）基本构成：微弱信号检测与随机噪声，放大器的噪声源和噪声特性、干扰噪声及其抑制、锁定放大、取样积分与数字式平均、相关检测、自适应噪声抵消。
2 本课程研究的基本问题微弱信号是相对背景噪声而言的，其信号幅度的绝对值很小、信噪比很低（远小于1）的一类信号。
如果采用一般的信号检测技术，那么会产生很大的测量误差，甚至完全不能检测。
微弱信号检测的主要目的是提高信噪比。
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。
微弱信号检测技术研究的重点是：如何从强噪声中提取有用信号，探索采用新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。
本课程（微弱信号检测）研究噪声的来源和统计特性，分析噪声产生的原因和规律，运用电子学和信号处理方法检测被噪声覆盖的微弱信号，并介绍几种行之有效的微弱信号检测方法和技术。
3 学习本课程（微弱信号检测）后了解、掌握了哪些内容通过对微弱信号这门课程的学习，我掌握的内容主要有以下几个方面：（1）了解了常规小信号检测的手段和方法，即滤波、调制放大与解调、零位法、反馈补偿法。
微弱信号检测技术综合专题实验
实际应用, 总结了此专题综合实验与一般实验方式相比的特点, 实 际结果表明: 综合专题实验改善了高年级本科 生或研究生的实验教学手段,
提高学生综合应用所学知识解决实际问题的能力, 取得了良好的实验教学效果, 特别是对于大学生研究能力的提高十分有益。
关键词: 检测原理及检测方法; 综合专题实验; 微弱信号检测
则信号改善比:
SNIR =
( S N I R) o ( SN I R) i
=
m
( 4)
锁定放大器的原理实验应以掌握相关检测原理
80 电气电子教学学报 27 卷
为重点, 以观测、分析相敏检波器的相位特性为主要
内容; 通过观察、分析相关器的 PSD 波形以及相关
幅 P 和位相 7 :
P = ( P sin7 ) 2 + ( P cos7 ) 2
7
=
tg- 1
P sin7 P cos7
( 5)
实验方法: 本实验中采样程序由 C 语言编写,
选取的采样间隔分别为 0. 1107nm 和 0. 3321nm。采
集数据开始时首先选择模拟输入通道, 然后启动模
数转换器, 分道轮流采集锁定放大器输出的 P sin7
微弱信号相关检测原理以锁定放大器为例进行 讨论。锁定放大器是通过相敏检波利用参考信号与 被测信号的相位锁定来压缩噪声带宽以抑制噪声, 从而检测出信号幅值和相位, 检测信号可达 nV 级。 其实际上是互相关的、以相敏检波器 P SD 为基础的 装置, 实验原理框图如图 2。
图 2 锁定放大器的实验原理框图
LU Rong-de, DU Ying-lei
( Dep t . of Astronomy & App l icat ion P hysics, University of Sci ence & T echnol ogy of Chi na , H ef ei 230021, China)
微弱信号检测
微弱信号检测电路实验报告课程名称：微弱信号检测电路专业名称：电子与通信工程＿＿＿年级：＿＿＿＿＿＿＿学生姓名：＿＿＿＿＿＿学号：＿＿＿＿＿任课教师：＿＿＿＿＿＿＿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，识别出已知频率的微弱正弦波信号，并将其放大。
该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路组成.其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路完成微小信号的检测.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CD4066,最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号。
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：微弱信号检测锁相放大器相敏检测强噪声1系统设计1.1设计要求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下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。
整个系统的示意图如图1所示。
正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。
噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC 机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。
图中A、B、C、D和E分别为五个测试端点.图1 微弱信号检测装置示意(1）基本要求①噪声源输出V N的均方根电压值固定为1V±0。
1V；加法器的输出V C =V S+V N，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。
②微弱信号检测电路的输入阻抗R i≥1 MΩ。
③当输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz、幅度峰峰值在200mV ~ 2V范围内时,检测并显示正弦波信号的幅度值,要求误差不超过5%。
（2）发挥部分①当输入正弦波信号V S 的幅度峰峰值在20mV ~ 2V范围内时, 检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。
②扩展被测信号V S的频率范围,当信号的频率在500Hz ～2kHz范围内，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。
微弱信号报告
智微弱信号检测结课报告题目：微弱光信号检测与采集组员分工：魏源璋（写报告）钟笛（演讲）王法（PPT制作）学院：机电学院专业：测控技术与仪器指导教师：宋俊磊微弱信号检测报告----微弱光信号检测绪论 (2)一、光电检测原理.............................. 错误！未定义书签。
1.1 光电检测与采集原理 ...................... 错误！未定义书签。
1.2 光电转换 .......................................... 错误！未定义书签。
二、信号检测前置放大电路设计 (4)2.1噪声来源分析 (4)2.2前置放大电路设计 (4)三、锁定放大器 (7)3.1、基本原理 (7)3.2、锁定放大参数分析 (9)四、A/D采集及软件设计.................. 错误！未定义书签。
4.1、ADC0809芯片介绍 (11)4.2、A/D启动及程序流程 (12)4.3、硬件接口图 (13)绪论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。
为了检测被背景噪声覆盖着的微弱信号，进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点，相关性以及噪声的统计特征，以寻找出从背景噪声中检测出有用信号的方法。
微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就需要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研究和技术开发的需要，微弱信号的检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感原理，也不是相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是抑制噪声和提高信燥比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。
在许多研究和应用领域中，都涉及到微弱信号的精密测量。
然而，由于任何一个系统部必然存在噪声，而所测量的信号本身又相当微弱，因此，如何把淹没于噪声中的有用信号提取出来的问题具有十分重要的意义。
微弱信号检测实验报告
微弱信号检测实验报告微弱信号检测实验报告引言在科学研究和工程应用中，微弱信号的检测是一项具有重要意义的任务。
微弱信号的检测可以帮助我们探测宇宙中的奥秘、改善通信系统的性能、提高医学影像的分辨率等。
本实验旨在探索微弱信号检测的原理和方法，并通过实验验证其可行性。
实验装置本实验使用了一套精密的实验装置，包括信号源、放大器、滤波器、检测器和示波器等。
信号源产生微弱信号，放大器将信号放大到可以被检测器检测的范围内，滤波器用于去除噪声和干扰，检测器将信号转换为电压信号，示波器用于显示信号的波形和幅值。
实验步骤1. 首先，将信号源连接到放大器的输入端，并将放大器的输出端连接到滤波器的输入端。
2. 调节信号源的频率和幅值，使其产生一个微弱的正弦信号。
3. 调节放大器的增益，使信号的幅值适合检测器的输入范围。
4. 将滤波器的输出端连接到检测器的输入端。
5. 调节检测器的灵敏度，使其能够检测到微弱信号。
6. 将检测器的输出端连接到示波器的输入端。
7. 调节示波器的触发模式和时间基准，使其能够显示信号的波形和幅值。
实验结果经过一系列的调节和优化，我们成功地检测到了微弱信号，并通过示波器观察到了信号的波形和幅值。
实验结果表明，我们设计的实验装置能够有效地检测微弱信号，并具有较高的灵敏度和准确性。
讨论与分析在实验过程中，我们发现调节放大器的增益是关键步骤之一。
如果增益过低，信号将被放大得不够，无法被检测器检测到；如果增益过高，放大器可能会引入噪声和干扰，影响信号的检测结果。
因此，需要根据实际情况选择适当的增益值。
另外，滤波器的选择和调节也对信号的检测结果有重要影响。
滤波器可以去除噪声和干扰，提高信号与噪声的信噪比。
在实验中，我们使用了带通滤波器，将信号源产生的特定频率范围内的信号通过，而去除其他频率的信号。
这样可以有效地提高信号的检测灵敏度。
此外，检测器的灵敏度也是影响信号检测结果的重要因素。
较高的灵敏度意味着检测器能够检测到较小幅值的信号，但也可能引入更多的噪声。
微弱信号检测技术
微弱信号检测技术科学技术发展到现阶段，极端条件下的物理实验已成为深化认识自然的重要手段．这些实验中要测量的物理量往往都是一些非常弱的量，如弱光、弱磁、弱声、微小位移、徽温差、微电导及微弱振动等等。
由于这些微弱的物理量一般都是通过各种传感器进行电量转换．使检测的弱物理量变换成电学量。
但由于弱物理量本身的涨落、传感器的本底和测量仪器的噪声的影响，被测的有用的电信号往往是淹没在数千倍甚至数十万倍的噪声中的微弱信号．为了要得到这一有用的微弱电信号，就产生了微弱信号检测技术。
因此．微弱信号检测技术是一种与噪声作斗争的技术．它利用了物理学、电子学和信息论的方法．分析噪声的原因和规律．研究信号的特征及相关性．采用必要的手段和方法将淹没在噪声中有用的微弱信号检测出来．目前．微弱信号检测主要有以下几种方法：‘1、相干检测相干检测是频域信号的窄带化处理方法．是一种积分过程的相关测量．它利用信号和外加参考信号的相干特性，而这种特性是随机噪声所不具备的，典型的仪器是以相敏检波器(PSD)为核心的锁相放大器。
2、重复信号的时域平均这种方法适用于信号波形的恢复测量。
利用取样技术．在重复信号出现的期间取样．并重复n次，则测量结果的信噪比可改善n倍。
代表性的仪器有Boccar 平均器或称同步(取样)积分器，这类仪器取样效率低，不利低重复率的信号的恢复．随着微型计算机的应用发展．出现了信号多点数字平均技术，可最大限度地抑制噪声和节约时间，并能完成多种模式的平均功能．3、离散信号的统计处理在微弱光检测中，由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号的特征．使得利用离散信息处理方法检测微弱光信号成为可能。
微弱光检测又分为单道(Single-Channel)和多道(MuIti．-Channel)两类。
前者是以具有单电子峰的光电倍增管作传感器，采用脉冲甄别和计数技术的光子计数器；后者是用光导摄象管或光电二极管列阵等多路转换器件作传感嚣．采用多道技术的光学多道分析器(OMA)。
微弱信号检测装置的设计与总体报告
4
A2 1
R4 ， R 4 取 10K 的滑动变阻器，R 5 1K ，放大倍数最大可达 10 R5
倍。两级放大一共可达到 A1 A 2 100 倍。
XFG1 R1 7 10kΩ
AD637 有效值转换
图 3 锁相放大系统框图
综上所述，从抗噪声性能等角度综合考虑，我们选用方案三。
3
2. 理论分析与计算 2.1 纯电阻衰减网络
这里要求衰减网络的引入不影响前后级的匹配情况，所以我们不用简单的电 阻串联，而采用非对称 T 型电阻衰减网络。使用这种衰减网络的好处在于输入、 输出阻抗可以不一致。 纯电阻 T 型衰减网络如图 4 所示：
3. 主要电路设计 3.1 加法器
为了叠加噪声信号和有用的正弦信号，加法器的必须的。加法器实现的是线 性叠加，增益为 1，我们用运算放大器构成加法器电路就可以实现。同相加法器 输入阻抗高，使之能吸收的信号更强，加法器我们选用“TI”公司的高精度、低 噪声运放，如图 7 所示。
图 7 加法器电路
3.2 纯电阻衰减网络
微弱信号检测
正弦信号源
VS A
加法器
B VN
Vc C
纯电阻 分压网络
Vi D
放大电路 （两级放大 增益可调）
同向放大 （增益无穷大） 方 波 带通滤波器 500Hz~2KHz 窄带滤波器 1KHz AD630 自相关检测
噪声源
低通滤波器
E
Vo
液晶
MSP430G2335 Launch Pad
ADS1115 A/D转换
图 9 带通滤波器
7
3.5 移相器
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“微弱信号检测技术”仿真实验报告
二．实验装置：
信号发生器，双踪通用示波器一台，电路试验箱，EWB电路仿真软件，计算机
三．实验步骤：
1）安装好EWB软件
2）画好仿真电路图
3）选择输入信号（正弦，方波），并调节参考信号的频率，观察负载的输出情况
4）观察输出波形，记录实验数据
同步积分器电路
用EWB进行仿真的实验电路图
仿真后的波形
用f1表示参考频率，f2表示输入频率。
令f1=1kHz
1.输入频率与参考频率相同，即f2=f1=1kHz。
2.输入频率为参考频率的偶次谐波，令f2=4f1=4kHz。
3.输入频率为参考频率的奇次谐波，令f2=5f1=5kHz。
4.输入频率偏离参考频率一个小量，令f2=1.005kHz。
相关器的研究
一．实验目的与要求
⑴、了解相关器的原理，测量相关器的输出特性；
⑵、测量相关器的抑制干扰能力和抑制白噪声的能力；
⑶、、测量相关器的过载电平、直流漂移、动态范围。
基本原理：
二．实验装置：
信号发生器，双踪通用示波器一台，电路试验箱，EWB电路仿真软件，计算机
三．实验步骤：
1）安装好EWB软件
2）画好仿真电路图
3）选择输入信号（正弦，方波），并调节参考信号的频率，观察负载的输出情况
4）观察输出波形，记录实验数据
相关器电路
用EWB进行仿真的实验电路图
仿真后的波形
1.输入频率与参考频率相同，即f2=f1=1kHz。
2.输入频率为参考频率的偶次谐波，令f2=4f1=4kHz。
3.输入频率为参考频率的奇次谐波，令f2=7f1=7kHz。
4.输入频率偏离参考频率一个小量，令f2=1.005kHz。