微弱电流信号的检测和放大电路..
等精度测频—微弱电流检测电路
实验一等精度频率计的制作一、任务设计并制作一个等精度频率计。
二、要求和说明1、能够准确地测量1-1MHz方波（高电平接近单片机的VCC，低电平为0）的频率；2、测量的精度为≤±0.01%，测量速度≤1秒；3、适当扩展测试的功能，如脉宽、占空比的测量；3、尽可能地提高测量精度和测量速度；4、外围电路尽可能地简单。
三、方案参考用MCU频率测量方波频率的3种最基本方法为：测频法和测周法、多周期同步测频法。
测频法适合测量频率较高的脉冲，测周法适合测量频率较低的脉冲。
所谓的适合，主要是从测量的精度上考虑，因此测量不同频率范围的脉冲，需要将以上两种方法结合使用。
不管测频法还是测周法，其关键就是如何巧妙的设计和使用定时/计数器。
现在新型的MCU在定时/计数器单元上都增加了输入捕捉功能，学会掌握和正确使用这个输入捕捉功能能够大大提高频率测量的精度。
一般情况下，当测量频率的范围为1-1MHz、精度≤±0.01%时，可以分三段来进行测量。
1-100Hz采用测周法；100-10KHz采用多周期测频法；10KHz-1MHz采用测频法。
计数法：Fx = Nx±1/Tw Fx——信号频率Nx——计数个数Tw——计数时间这种测量方法的测量精度取决于计数时间和被测信号频率，当被测信号周期与计数时间相近时将产生较大误差。
少一个周期少一个周期多一个周期误差分析如下：测频法采用1秒内计数器计数的值来表达所测频率，该方法误差是绝对的，为±1，也就是±1Hz。
相对误差见下表：被测频率绝对误差测量精度1000000Hz ±1Hz ±0.0001%100000Hz ±1Hz ±0.001%10000Hz ±1Hz ±0.01%1000Hz ±1Hz ±0.1%100Hz ±1Hz ±1%1Hz ±1Hz ±100%从上表中可以看出，测频法在测量高频时测量精度好，频率越高精度越好。
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。
微弱光信号的光电探测放大电路的设计
微弱光信号的光电探测放大电路的设计对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。
但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。
本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路，综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出电路参数选择方法。
1 基本电路光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。
(1)光伏模式，如图1 (a)。
此时，光电二极管处于零偏置状态，不存在暗电流，低噪声，线性度好，因而适于精密领域。
本文就是以这种模式为例进行分析，实际应用中，这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs，从而使电路稳定。
(2)光导模式，如图1(b)。
这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压，因而存在暗电流，产生噪声电流，同时因为非线性，一般应用在高速场合。
当光照射到光电二极管时，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip，该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf，将运算放大器视为理想放大器，根据理想运算放大器输入端的“虚断”特性，从而有E0=IpRf。
可以看出，光电二极管放大电路实际上是一个I／V转换电路。
这个电路看起来非常简单，只需一个反馈电阻，一个光电二极管和一个放大器便可实现。
从输出电压的线性表达式很容易推出，使反馈电阻Rf增大，将使得输出电压也成比例的增大。
经之前分析时，一般给出其典型值为100MΩ。
在下面的分析我们将看到，反馈电阻不但影响信号的带宽，而且影响整个电路噪声。
微安电流放大电路
微安电流放大电路
微安电流放大电路是一种常见的电路设计，它用于放大微弱电流信号，使其变得更加明显和可读。
该电路主要由放大器、反馈电阻和输入信号电阻组成。
其中，放大器是整个电路的核心，其作用是将微弱的电流放大到足够的电平以便进行后续处理。
在微安电流放大电路中，反馈电阻会将放大后的信号反馈回放大器中，以控制电路的整体增益和稳定性，从而实现精确的微安电流放大。
而输入信号电阻则是为了保护放大器，可使用LDO、运放等元件进行调节，以便更好地控制电路的负载。
微安电流放大电路广泛应用于各种领域，如生物医学、通信、气象、环境监测等方面。
其中，生物医学领域中，微安电流放大电路被用于测量微弱的生物电信号，如脑电波、心电图等，从而帮助医生准确地诊断病情，进行治疗。
而在通信领域中，微安电流放大电路作为前级放大器，用于接收微弱的信号，提高通信质量和传输距离。
总之，微安电流放大电路作为一种重要的电路设计，在各种应用场景中均有广泛使用，为各行各业提供了精确的微弱电流放大和信号增益支持。
电流检测放大器工作原理
电流检测放大器工作原理
电流检测放大器是一种用来检测电流的设备，它可以放大微弱的电流变化，使电路中的微弱信号变得更显著，从而可以更有效地检测电流变化。
它的工作原理主要是通过放大电流的微弱变化来检测电流变化情况。
为了获得更显著的电流变化信号，电流检测放大器采用了一种称为“变压器结构”的结构来放大微弱信号。
这种结构主要由一个变压器、一组电容、一组互补对称电阻以及一个识别放大器组成。
变压器将测量的电流变化有效地转换成可以放大的信号，电容能够有效地滤除测量电流中的非线性成分，而互补对称电阻则能够使输出信号的幅度变得更大，从而有效地放大信号的大小。
最后，识别放大器会将信号转换成有效的输出电流。
由此可见，电流检测放大器的工作原理是通过利用变压器结构将测量的信号放大，然后由电容、互补对称电阻和识别放大器等组件将信号进行有效的处理，从而使得微弱的电流变化变得更加明显。
因此，电流检测放大器是一种十分有效检测电流变化的工具，它能够极大地提升检测效率，有效地防止电流变化对电路的不利影响。
另外，电流检测放大器的应用不仅局限于测量电流变化，它还可以用于测量变压器的变压效果、检测交流电机的工作情况以及监控电动机的工作负荷等。
此外，它还可以用来检测电容器的不同状态，提高检测水果中的果芽成长状态等。
总之，电流检测放大器依靠变压器结构和其他众多元件将微弱电
流变化放大，使得电流变化变得更加明显，从而可以更有效地检测电路中的电流变化情况。
这种设备的应用已经广泛应用于各种电子设备的检测和监测中，它以准确性高而闻名，与此同时，也能够有效防止电流变化对电路的不良影响，对于现代电子设备的稳定运行起到至关重要的作用。
小信号放大和检波电路-概述说明以及解释
小信号放大和检波电路-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以如下编写：在电子工程学中，小信号放大和检波电路是两个非常重要的电路技术。
小信号放大电路被广泛应用于电子设备中，用于放大微弱的信号，使其能够被后续的电路部分处理。
而检波电路则用于将信号转换为可测量或可用于其他用途的形式。
小信号放大电路的作用在于将微弱的信号放大到可以进行后续处理的程度。
对于一些微弱的输入信号，如传感器输出、天线接收到的无线信号等，需要经过放大才能提供足够的幅度和信噪比。
小信号放大电路的基本原理是通过扩大信号的振幅，同时保持信号的形状不发生失真。
常见的小信号放大电路类型包括共射放大器、共基放大器、共集放大器等。
检波电路则用于将信号转换为可以进行测量或其他用途的形式。
在无线通信系统中，检波电路常用于将调制信号解调出来，恢复原始的基带信息。
在音频领域，检波电路常用于音频信号的放大、录制和播放等。
检波电路的基本原理是通过对输入信号进行非线性操作，将其转换为包络信号或直流成分。
常见的检波电路类型包括整流器、解调器和鉴频器等。
小信号放大和检波电路在各个领域都有广泛的应用。
在通信技术中，小信号放大电路在无线传输、射频电路和调制解调等方面起着重要作用。
检波电路则在无线通信、音频处理和数据采集等领域具有重要应用。
随着科技的不断进步和应用需求的不断增加，对小信号放大和检波电路的研究和应用也将不断深入，为各个领域的发展提供强有力的支持。
文章结构部分的内容应该包含有关整篇文章的结构和内容安排的说明。
可以参考以下内容撰写文章1.2的内容：1.2 文章结构本文主要讨论小信号放大和检波电路的原理、类型及其应用前景。
为了使读者更好地理解文章内容，本文按照以下结构组织：引言部分将首先对文章的主题进行概述，介绍小信号放大和检波电路的基本概念和作用。
然后，详细阐述本文的目的和意义，以引起读者的兴趣和阅读动力。
正文部分分为两个主要部分：小信号放大电路和检波电路。
一种微弱光信号前置放大电路设计
来源：华强电子网1 光电检测电路的基本构成光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
其光电检测模块的组成框图如图1所示。
2 光电二极管的工作模式与等效模型2．1 光电二极管的工作模式光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。
图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。
事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。
而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］。
一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。
本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。
2．2 光电二极管的等效电路模型工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图3所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。
图中，IL 为二极管的漏电流；ISC为二极管的电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管的寄生电容；ePD为噪声源；Rs为串联电阻。
由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。
在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。
微弱信号检测
• 1、热噪声et
•
• 半导体二极管的热噪声是由寄生电阻产 生的。
• 其功率谱密度函数为：
St ( f ) 4kTRpar ；
• 其均方值为：
Et et2 4kTRparf 。
• 2、 1/f 噪声if
• 半导体的表面、扩散区域的边缘以及本 质的缺陷灰产生1/f 噪声。 对1/f 噪声的研究 还不够成熟。其功率谱密度函数一般采用如 下的形式表示：
2
et 4kTRf
热噪声谱密度
（V2/Hz)
• 用量子理论表示热噪声功率谱密度函数：
St
(
f
)
exp(
4hfR hf /(kT))
1
• 电阻开路两端呈现的热噪声电压有效值为：
Et et2 4kTRf
• 2、电阻的热噪声等效
实际的电阻可以等效为热噪声电压源E t 与无噪声的理想电阻R的串连。
Sf
(
f
)
KF I f
• 式中通常取1，=1~2；KF称为1/f 噪声系 数，与二极管的物质有关。
• 3、散弹噪声 • 散弹噪声是由于电荷到达阳极复合产生
随机脉冲的电流。流过半导体二极管的电 流为：
I I0[exp( qV / kT) 1]
其中I0exp(qV/kT)为二极管的正向扩散电流，-I0 为反向饱和电流。两种电流产生的噪声是不相 关的，总的噪声均方值为：
is2h 2qI0f exp(qV / kT) 2qI0f
2qI0f [exp(qV / kT) 1]
• 当零偏置时V＝0，此时，
is2h 4qI0f
• 当反向偏置时只有反向饱和电流，此时，
is2h 2qI0f
• 当充分正向偏置时正向电流大大于反向饱和 电流，可以忽略反向饱和电流的散弹噪声， 此时，
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.
I/V转换电路结构如图4：
图
同向反向端接地，同向端接入正弦交流微弱电流信号(0.00005A，100HZ)，采用1KΩ电阻，经过I/V转换电路后，根据公式1，理想状态下输出有效电压为70.71mv。如图5所示
图
I/V转换电路运行正常，输出波形如图6所示。
2.
本设计采用三运放差分式放大电路，但有一支路输入为0，故可以省去，采用两个差分式同向放大电路相乘实现放大作用。差分式结构，对共模噪声有很强的抑制作用，同时拥有较高。的输入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微弱信号的放大。每个差分式放大电路结构如图7所示。
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。
二、方案论证
具体工作方式：I\V转换电路将微弱电流转换成电压，通过三运放放大电路放大后，其输出电压与正弦高频电压相乘得到高频载波信号，同时正弦高频电压通过电压比较器转换为方波，两者输入开关式相敏检波电路，经过二阶低通滤波器后得到输出电压。
由于本电路检测的是微弱电流信号，顾采用了频率为100HZ，电流为0.00005A的输入电流。I/V转换器采用1kΩ的电阻，电流经I/V转换器后，电流信号变为电压信号，理想状态下为0.1V（峰值电压）。万用表测出的是有效电压，为70.731mv。为方便处理，本文后期将全部采用有效值。同时经过三运放高共模抑制比电路（其中一个前置运放输入为0，故省略，实际中只有两个运放），共放大100倍，理想状态下经过运放后电压为7V。该电压信号以频率为1kHZ的高频交流电压信号为载波信号，与频率为1kHZ的高频交流电压信号经过电压比较器后转换的方波输入相敏检波电路，输出检波信号，检波信号经过二级低通滤波器后得到的电压信号即为最终信号。
图
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。
图
同向端输入经电压比较器处理过的方波电压信号，反向端输入的电流由乘法电路处理(由放大后的电压信号与正弦高频电压信号相程)。其中同向端和反向端的高频电压信号由同一信号源产生，两者同频。经过相乘后输出波形如图11所示。
图11相乘电路输出波形
运放电路输出电压（通道C），高频正弦电压信号（10倍频率运放输出电压，通道B），合成信号（通道A）如图12所示。
LM358AD里面包括有一个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。
图1 LM358AD引脚图
三、电路基本结构
图2微弱电流信号检测与放大装置整体结构
图3微弱电流检测与放大电路整体结构
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。
专业模块课程设计说明书
（测控技术与仪器专业）
微弱电流信号的检测和放大电路
学生学号：
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
职称：
起止日期：2015.6.23～2015.7.3
机电工程学院
专业模块课程设计任务书
一、设计题目：
二、设计任务及要求
任务：设计电路实现对微弱电流信号的检测与放大，将微弱电流信号转换成有用的电压信号。
1．进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；
2．培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；
3．培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。
第二章
课程设计说明书正文
图7同向比例运算放大电路
同向输入端和反向输入端输入电阻都为1kΩ，反馈电阻为9kΩ，每个差分式同向放大电路可放大电压10倍，共实现100倍的放大作用。理想状态下，经过第一个差分式放大电路后输出电压为700mv，经过第二个差分式放大电路后输出电压为7V。实际情况下，经第一个差分式放大电路后输出电压为706.949mv，经第二个差分式放大电路后输出电压为7.068V，处于合理方位内。结果如图8所示（从左至右依次为输入电压、一级运放后放大电压、二级运放后放大电压）
图12相乘电路输出前后对比图
பைடு நூலகம்为何不采用包络检波电路？
答：包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。
一、任务的提出
很多情况下，我们在应用中采集的往往是微弱电流信号，而微弱电流信号很难直接使用，所以对微弱电流信号的检测与放大，在科学研究和军事等领域有广泛的应用。微弱电流信号检测放大的一般办法是通过I\v转换器件将微弱的电流信号转换成为电压信号，然后再通过电路放大，最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。
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：