信号检测与处理电路
微弱电流信号的检测和放大电路.doc
电压放大器结构合理，准确得实现了电压放大功能。
经I/V转换器后电压（通道B），经一级差分式放大电路后输出电压（通道C）,经二级差分式放大电路后输出电压(通道D)波形对比如图9所示：
图9运算放大电路输入输出电压波形对比
3.
本设计采用开关式相敏检波电路。相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。其结构如图10所示。
要求：电路要包括电流/电压转换电路，信号放大电路，调制和解调电路，并采用multisim仿真。
三、设计时间及进度安排
设计时间共两周（2015.6.23～2015.7.3）,具体安排如下表：
周安排
设 计 内 容
设计时间
第一周
布置设计任务和具体要求及设计安排；提出设计思路和初步设计方案、根据设计方案，进行具体的设计，根据指导意见，修改具体设计；仿真实现设计要求，指导、检查完成情况。
15.06.23-15.06.26
第二周
设计、仿真，撰写、完成专业模块设计报告,验收、考核
15.06.29-15.07.03
四、指导教师评语及成绩评定
指导教师评语:
年 月 日
成绩
指导教师(签字):
第一章课程设计的目的
课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。
经过相敏检波输出电压为4.327V，输入输出电压如图13所示。
图
经过相敏检波电路的波形如图14所示：
图14相敏检波电路输出波形
4.
为了给相敏检波电路提供同频方波信号，实现检波功能。其结构如图15所示。
图
其同向端接地，反向端接入高频正弦来自压信号（1KHZ），输出端为方波信号。当反向端正弦电压小于0时，输出高电平；当反向端输入的正弦电压大于0时，输出低电平。所以输入正弦波输出为反向的正弦波。输入信号和输出信号对比如图16所示。
信号检测电路
1. 信号检测电路
由于在实际检测过程中，被测信号通常不符合系统的处理范围，所以在对被测电信号检测之前进行了一系列调整，主要包括降压、电压幅值转换等。
我们需要的待测电信号是强电信号，系统选择的采样芯片ADS8365，它允许输入的范围是0～5V，所以不能直接用采样芯片进行采样，需要对其进行一定的调理后方能被采样芯片接收。
用霍尔电压、电流传感器，把强电信号变换成-10V～+10V 的交流电压；转换电路的目的是把电压变换成A/D转换芯片要求的0～+5V电压。
LBout是从传感器出来的交流电压信号，其幅值为-10V～+10V。
在进行电平转换时首先需要进行分压，经过电阻R5和R7的分压后，进入R6的电压U1变为-5V～+5V。
经过第一个运放电路后其电压U2=-(10/20)(U1+5)=-(U1+5)/2，幅值转换为-5V～0V。
经过第二个运放电路后U3=-(20/20)U2=-U2=(U1+5)/2，其幅值转变为0～+5V。
得到的电压满足了采样芯片的要求，能够直接被采样。
最后加了一个限幅电路，相对来说比较简单，主要是防止电压幅值过大，导致烧坏采样芯片，起到一个保护作用，其仿真电路如下图所示。
其中A波形为从滤波器出来的10V交流电压信号，B波形为经过电平转换后0～5V交流电压信号，满足了设计要求。
光电检测电路与信号处理
3.如何确定检测电路带宽？
td
T
td－脉冲宽度
S
(t
)
Am，
0，
td 2
t t
td 2
T 2
S(t) b0 bn cos n2πf0t
n1
bn
2td T
Am
sin nπf0td nπf0td
脉冲波信号的带宽分析
3.如何确定检测电路带宽？
td
T
td－脉冲宽度
脉冲重复频率f0 = 200kHz，脉宽td=0.5μs
F
En2i En2s
En2s
En2
I
2 n
Rs2
En2s
1
En2 En2s
I
2 n
Rs2
En2s
1
En2
I
2 n
Rs
4kTRsf 4kTf
3. 最佳源电阻
F 1
En2
I
2 n
Rs
4kTRsf 4kTf
Fmin＝1
En I n 2kTf
10.2.1前置放大器的噪声
F 0 Rs
Rs
Rsopt＝
En In
课程主要内容四大部分：
理论基础
光电信号 变换与处理
光辐射源 光电探测器
光电系统 分析设计
光电信号变换与处理
1
2
测距 计时
器
主波
光学信号变换
3
电学信号变换
放大、滤波、 比较
回波
5
4
D
光－电信号变换
激光脉冲测距原理示意图
光电信号 变换与处理
➢光学信号变换
教材第八章
➢光－电信号变换
信号检测与处理电路-1
-
R1
A1
A
-∞
I R2 B
+
+
uO
-∞
R1R
A3 RF
uI2
+ + uO2
A2
图8-2 差分测量电路
模 拟电子技术
模 拟电子技术
uo1
uo2
(1
2R1 R2
)(ui1
ui2 )
uo
RF R
(uo1 uo2 )
RF R
(1
2R1 R2
)(ui1
ui
2
)
总结：
•当UI1=UI2=UIC时，相当于电路输出了共模信号，电压输为0， 该电路总的结：共模信号被抑制。 •调节R2的阻值，可以改变电路的放大倍数。
（3）集成仪用放大器
14
4.44k
2
404
3
40.04
4
5
7
6
15
1 16
+∞ +
A1
20k 5p
5p 20k
12 9
V+
V-
5p
20k
20k
-∞ +
+
20k
A320k
-∞
5p
+
+
A2
13
11
6,7脚相连: 增益1；
10
2,6,7脚相连:增益10；
8
3,6,7脚相连: 增益100；
4,7,5,6脚相连: 增益1000；
（2）但是，根据传感器的基本原理，作为信号源的传感 器，多数的等效电阻均不是常量，它们随所测物理量 和环境的变化而变。
（3）这样，对于放大电路而言，相当于信号源内阻是变 量，根据前述源电压放大倍数的表达式
信号检测电路设计
2）二阶压控带通滤波器（放大器采用AD8022）
图7二阶压控带通滤波器
3）AD转换电路
AD转换采用AD7687，16bit，250kSPS，SPI接口。工作电路如图8，它要求比精度较高的参考电压，这里采用了ADR430作为稳压芯片，稳压2.048v，精度为 ，输出电压电源由LD1117-3.3V提供。
信号检测电路设计
所买芯片：ADR430ARZ（基准电压源，2.048V，给ADC提供基准电压），AD8022（放大器，用于搭建二阶压控带通滤波器电路和方向器电路），AD7687BCPZ（14位ADC转换芯片），KF50BD（5v稳压芯片，给放大器提供电源），HCNR200（光隔离器）各一片
实验室原有芯片：INA114AP一片，仪用放大器
同学给的芯片：LD1117-3.3两片，电压转换芯片，用于提供ADC输出电源
芯片用途：搭建信号检测电路
一、设计思路
由热释电探测器PYD-1113输出的信号十分微弱，且被噪声严重覆盖，要检测出其中的有用信号，必须采用微弱信号检测的方法，这里选择了锁定放大的方法。如下是锁定放大器的基本框图：
图1 锁定放大器的基本组成
图8 AD转换电路
图2原始信号图3加载了噪声并经过正弦信号调制的信号
图4经DPSD检测出来的信号
三、基本电路
1）前置放大电路
图5前置放大电路
前置放大器采用低噪声仪用放大器INA114，它的两个差分输入端分别接工作探测器和参考探测器的输出信号。对于INA114的电源这里采用纹波为2%的线性电源KF50BD，放大器采用（AD8022）由于采用双电源供电Vcc和Vss，这里采用了如下方式：
模拟电路复杂，信号不易控制，且容易引入噪声，在设计锁定放大器电路时采用了微机化数字式相敏检测器（DPSD），也就是在信号通道之后，加上一个AD转换器，将模拟信号转换为数字信号，在FPGA内部处理。PSD、参考信道、LPF都在FPGA内部实现，这在一定程度上减小了电路的复杂度，并避免了外部噪声的干扰。
电路中的信号调理与检测
电路中的信号调理与检测在电子领域中，信号调理与检测是非常重要的一部分。
它们在各种电路中起着关键的作用，帮助我们获取、处理和分析信号，在不同应用中实现精确的控制和测量。
首先，我们来讨论信号调理。
电路中的信号往往需要经过一系列的调理才能被有效地处理。
信号调理的主要目的是消除干扰并增强信号质量。
在实际应用中，信号往往会受到来自外部环境的各种干扰，例如噪声、电磁干扰等。
为了解决这些问题，我们需要使用各种信号调理技术，如滤波、放大、增益控制等。
滤波是最常见的信号调理技术之一。
它通过选择性地通过或阻塞一定频率范围内的信号来削弱或消除干扰。
常见的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
低通滤波器可以通过消除高频噪声来提高信号质量，而高通滤波器则可以削弱低频噪声。
带通滤波器和带阻滤波器则可以在指定的频率范围内增强或抑制信号。
通过合理选择滤波器类型和参数，我们可以根据不同需求对信号进行调理。
除了滤波，放大也是信号调理的重要手段之一。
放大器可以增加信号的幅度，从而提高信号的强度和可靠性。
常见的放大器有运算放大器、差分放大器、功放等。
运算放大器是最常见的放大器之一，它具有高开环增益和输入输出之间的线性关系。
通过选择合适的反馈电阻或电容，我们可以根据需要调整放大器的增益，实现对信号的精确放大。
除了信号调理，信号检测也是电路中的重要环节。
信号检测的主要目的是确定信号的存在和参数，例如频率、幅度、相位等。
对于连续信号，我们通常使用一些传统的检测方法，如幅度检测和频谱分析。
幅度检测可以通过采样和测量信号的幅值来确定信号的强度和变化。
频谱分析则可以将信号分解成不同频率分量，帮助我们研究和理解信号的频域特性。
对于数字信号，我们通常使用数字信号处理技术进行检测和处理。
数字信号处理涉及到信号的数字化、滤波和变换等过程。
通过AD转换器，我们可以将连续信号转换为数字信号，并利用数字滤波器对信号进行滤波。
此外，我们还可以使用快速傅里叶变换等技术对信号进行频谱分析和频域处理。
信号点灯电路及检测办法
1.控制台复示器闪光，且发生灯丝断丝报警，说明禁止信号点灯电路故障。对于进站或接车进路来说，虽然复示器闪光还包括1DJF因故掉下的因素，但此时不会发生断丝报警。先在分线盘处测试禁止信号的点灯电压，如果有交流，可断定故障的按在室外；如电压为0V或较小，可初步确定室内开路，在看组合侧面的保险，如果是好的，则故障点在室内，如果保险断，且换上保险又烧断，说明线路混线，还需再次区分室内外。在分线盘上拆下一根故障回路的电缆线，先测室内部分的回路电阻，如果有一定阻值，则室内混线；如果电阻为无穷大，则故障点在室外，再测室外回路环阻，若阻值小于信号点灯变压器一次侧电阻，说明故障出在电缆和一次侧线圈上，若阻值约等于一次侧电阻与电缆线路之和，说明故障出在点灯变压器二次侧的回路上，此时，对于带预告的进站信号机来说，如果烧的是XJF的保险，还要考虑预告黄灯回路混线的因素。BX－30变压器一次侧电阻为100Ω左右，电缆回路电阻为23.5Ω／cm。
（二）进站信号机红灯熄灭故障（电缆混线）
故障现象：在进站信号机关闭的情况下，进站信号机红灯突然熄灭
查找步骤：
1.用万用表AC250V档测量分线盘上该信号机F－H至F－HH端子间有AC220V电压否？F－H至F－HH端子间没有AC220V电压，说明可以排除室外开路故障。
3.用万用表AC250V档测量变压器箱内红灯变压器一次侧有交流220V电压否？红灯变压器一次侧有220V电压，可证明电源已送至变压器的一次侧，前续电路无故障。
4.将万用表调至AC25V档，测量变压器箱内红灯变压器二次有交流12V电压否？有交流12V电压，证明变压器无故障现象。
5.用万用表AC25V档，测量变压器箱内端子17、19间有交流12V否？有12V电压，证明由红灯变压器二次侧至变压器箱内端子17、19完好无故障。
什么是信号处理电路？
什么是信号处理电路？信号处理电路是电子工程中的一个重要分支，它主要研究如何对信号进行处理和转换。
信号处理电路的应用非常广泛，涵盖了通信、电子设备、医疗仪器、雷达、音频设备等多个领域。
本文将从基本原理、应用领域和设计方法三个方面介绍信号处理电路的相关知识。
1. 基本原理信号处理电路是利用各种电子元件和电路将原始信号转换成我们所需要的信号。
它主要包括信号采样、信号滤波、信号增益、信号变换等几个主要环节。
其中，信号采样是指将连续信号转换成离散信号的过程，信号滤波是消除噪声对信号质量的影响，信号增益是调节信号幅度的大小，信号变换是将信号从一个域转换到另一个域。
通过这些处理，我们可以得到更符合我们需求的信号。
2. 应用领域信号处理电路广泛应用于通信、电子设备、医疗仪器、雷达、音频设备等领域。
在通信中，信号处理电路可以对信号进行编码、解码、调制、解调等处理，以实现高效的数据传输。
在电子设备中，信号处理电路能够提高系统的稳定性和可靠性，提供更好的用户体验。
在医疗仪器中，信号处理电路可以用于对生理信号的采集和处理，实现精密的医学诊断。
在雷达和音频设备中，信号处理电路可以对信号进行滤波、增益、变换等处理，以提高目标检测和音频质量。
3. 设计方法设计信号处理电路需要考虑多个因素，包括信号特征、处理要求、电路复杂度、成本、功耗等。
在设计过程中，需要选择合适的电子元件和电路拓扑结构，并根据具体需求进行参数调整和优化。
通常，设计师需要充分了解信号的特点和所需的处理效果，灵活选择合适的算法和电路方案。
此外，对于大规模信号处理系统，还需要考虑多个电路模块之间的协同工作和数据传输。
总结：信号处理电路是电子工程中的重要分支，它通过对信号采样、滤波、增益、变换等处理，将原始信号转换成我们所需要的信号。
信号处理电路在通信、电子设备、医疗仪器、雷达、音频设备等领域有着广泛的应用。
在设计信号处理电路时，需要考虑信号特征、处理要求、电路复杂度、成本、功耗等因素，并选择合适的元件和电路拓扑结构。
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uI
+
【例8-7】
2. 同相型迟滞比较器
UREF R N
uI R2 P R1 R3 uO UZ 8
状态翻转时，uP = uN = UREF
u U R IR 1 Z 2 即 U REF R R 1 2
若 UREF = 0
UZR UZR 2 2 U 则 UT T R1 R1
1.通带电压放大倍数 2.通带截止频率 3.特征频率
A
up
f p p
f 0 0
4.通带（阻带）宽度 5.等效品质因数Q
fbw fp1fp2
8.1.1 有源低通滤波电路(LPF—Low Pass Filter) 1 一、一阶 LPF · A uf R U Rf jC · o Au · (1 ) f f 1 Ui R1 R1 1 j R fH jC R · 其中， A = 1 + R /R U uf f — 1 通带放大倍数 o · Ui C 归一化 fH = 1/2RC — 上限截止频率 · A 1 幅频特性 · u A 20 lg u / dB A 1j f / fH u f Auf · A 1 u 20 dB /十倍频 20 lg 20 lg 0 2 A 1 ( f / f ) u f H 3
问题：在 f = fH 附近，输出幅度衰减大。 改进思路：在提升 fH 附近的输出幅度。
2. 实用二阶 LPF
R R1 R R C C
f
1 0 0 3 特征频率： 1 n fn 10 2 2 RC 20 Q = 1 / (3 A )
· Ui
· A · U o u f A · u 2 U i 1 ( ) j Q n n · A 20 lg u / dB · Auf Q=5 Uo
8.2.1单限电压比较器
1. 过零电压比较器
（1）电路组成 uI
8
uO
（2）工作原理
（3）转换条件
u u
TH
（4）阈值（门限电压） U （5）电压传输特性 （6）输入端的保护电路
uI < 0
uO
UOH UOmax uI uI > 0 UOL
和输出端的限幅电路
UOmax
O
2. 同相输入单门限比较器
BW = f0 /Q = 2 000 /10 = 200 (Hz)
Au0 = Auf /(3 Auf) = 2.9 /(3 2.9 ) = 29
8.2 电压比较器
8.2.1单限 电压比较器
8.2.2窗口比较器
8.2.3迟滞比较器
电压比较器(Comparer) 功能： 比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小 类型 简单比较器(单门限) 基本比较器 窗口比较器(双门限) 迟滞比较器(施密特触发器)
上限截止频率：
fH = 99.5 Hz
8.1.2 有源高通滤波电路(HPF—High Pass Filter) · R A u
R1 C
f
20 lg
Auf
/ dB
· Ui
C R R
· Uo
Auf = 1 + Rf / R1 通带增益： 1 30 fn 2RC 40 Q = 1/(3 Auf) 1 f / fn ， Auf = 3 时，Q ， A 电路产生自激振荡 u 二阶低通、高通，为防止自激，应使 Auf < 3。
第 8 章 信号检测与处理电路
8.1 有源滤波电路
8.2 电 压比较器
8. 1 有源滤波电路
8.1.1 有源低通滤波电路
8.1.2 有源高通滤波电路
8.1.3 有源带通滤波电路
引 言
滤波电路 — 有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。 分类： 无源滤波器 硬件滤波 按构成 按处理 器件分 方法分 有源滤波器 软件滤波
1 0 0 3 10 20
Q=5 Q=2 Q= 1= Q 0.707
8
8.1.3 有源带通滤波电路(BPF—Band Pass Filter) R 构成思路： · f 20 lgA / dB
u
R1
8
R fH fL f f
C1
=C R3 = 2R
Ui C
·
U· o
1 中心频率： f0 f 2RC fL f0 fH 等效品质因素： Q = 1/(3 Auf) fH > fL 通频带： BW = f0 /Q 要求 R3 C1 > RC 最大电压增益： Au0 = Auf /(3 Auf)
按所处理 信号分
模拟滤波器
数字滤波器
按频率 特性分
低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器
一阶滤波器 按传递 二阶滤波器 函数分 : N 阶滤波器
理想滤波器的频率特性
20lg Au
·
20lg Au
·
20lg Au
·
20lg Au
·
f
通 阻
低通
f
阻 通
高通
f
阻 通 阻 通阻通
带通
f
带阻
滤波电路的主要参数
uI
t
uO t
UT+
O
uI
t
整 UT形 uO
UOH UOL O
t
UOL
正反馈
R1
例：R1 = 30 k，R2 =15 k, UZ = 6 V, UREF = 0,
求 UT。
615 UT 2(V)， uI 15 30 615 UT- 2(V) U REF 15 30
R2
R
R3
uO
8 P
R1
UZ
2)传输特性
(a)当UREF=0时的电压传输特性
8 fH f
arctan ( f/f ) H
二、 二阶 LPF 1. 简单二阶 LPF
R
f
A 20 lg u / dB Auf
·
R1
U· i
1 0 0 8
U
–40 dB/ 十倍频
R
R UP C
·
C
·
o
10 20 30 40 1 f / fH
通带增益：Auf = 1 + Rf/R1
截止 U1
uI
截止
— 三极管 值分选电路
1 M 5V 5 k 8 20 k 8
V1
430 k
3CG
10 k V 2.5 V 20 k +15 V
1.5 k
V2
分析电路是否满足要求： < 50 或 > 100，LED 亮， 50 100，LED 不亮。
[解] IB = (15 0.7 ) /1430 = 0.01 mA
当 < 50 时，IC < 0.5 mA，UC < 2.5 V, V2 导通，LED 亮
当 > 100 时，IC > 1 mA，UC > 5 V V1 导通，LED 亮 当 50 100 时，2.5 V UC <5 V， LED 不亮
8.2.3迟滞比较器
1. 反相型迟滞比较器 1)电路和门限电压
R
[解]: 特征频率
R
R1
R
f
8
1 fn 3 6 2 1 60 10 0 .01 10 99 .5 ( z
1 fn 2RC
· Ui
C
C
· Uo
R 100 f A 1 1 1 . 588 u f R 170 1
Q = 1/(3 Auf) = 1/(3 1.588) = 0.708 Q = 0.707 时， fn = fH
8
O 下门限 UZ
U = UT+ UT 特点： uI 上升时与上门限比, uI 下降时与下门限比。
【例8-6】： 设电路参数如图8-47(a)所示，
UI/V +3 - ∞ 7.5kΩ + R3 R1 15kΩ 15kΩ UO/V VDZ UZ=±6V +6 0 -6 -6 t R 1kΩ uO -3 -3 0 3 UI/V 0 t1 t2 t3 t UO/V 6
R2 = R LPF BPF
例8.1.2 已知 R = 7.96 k，C = 0.01 F， R3 = 15.92 k，R1= 24.3 k，Rf = 46.2 k 求该电路的中心频率、带宽 BW及通带 最大增益 Au0。
Rf R1 8 R C1 R2 R3
Ui C
·
U· o
[ 解]
1 1 f0 3 6 2 7.96 10 0 . 01 10 2RC 2 (k z R 46 . 2 f A 1 1 2 . 9 u f R 24 . 3 1 Q = 1/(3 Auf)= 1/(3 2.9) = 10
Q=2 –40 dB/十倍频 Q=1
8
Q = 0.707
Good f / fn · Auf = 3 时 Q Au ! 电路产生自激振荡 当A Q = 0.707 时，fn = fH 正反馈提升了 f n 附近的 u。
1
Q — 等效品质因数
uf
30 40
例8.1.1 已知 R = 160 k，C = 0.01 F， R1 = 170 k，Rf = 100 k，求该滤波器的 截止频率、通带增益及 Q 值。
uI R P R3 uO 8
当 uI > uP 时， uO = UZ 当 uI < uP 时， uO = +UZ 当 uI = uP 时， 状态翻转
UREF R2
UZ
U R U R RE F 1 Z 2 U T R R 1 2 U R R RE F 1 U Z 2 U P U R U R RE F 1 Z 2 R R R R 1 2 1 2 U T R R 1 2