信号检测与处理电路-3
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。
10之三取样积分器
1任课教师王翥信号检测与处理之三第三章取样与取样积分器§3.1 取样的物理过程§3.2 实时取样与变换取样的基本概念§3.3 取样积分器的基本原理参考书：《微弱信号检测》曾庆勇编著浙江大学出版社课件：FTP-个人-信息学院-王翥-信号检测与处理2任课教师王翥信号检测与处理之三第三章取样与取样积分器§3.1 取样的物理过程样品的抽样过程可用图1所示的取样门来实现。
当取样脉冲p(t)到来时，取样门输入与输出导通。
取样脉冲消失时，取样门关闭。
3任课教师王翥信号检测与处理之三第三章取样与取样积分器§3.1 取样的物理过程当取样脉冲p(t)是理想的冲激函数时，取出的样品是线型的，这种取样称为理想取样。
当开关闭合的时间τ较长，通过开关的是一个宽度为τ的信号成分。
这种取样称为有限脉宽取样。
4任课教师王翥信号检测与处理之三§3.1 取样的物理过程5任课教师王翥信号检测与处理之三第三章取样与取样积分器§3.1 取样的物理过程对信号取样的装置称取样门。
在实际取样电路中,取样门可用二极管来实现。
图2(a)所示的是一种简单的取样门电路，D 为取样二极管，C 为积分电容器。
RgRi+E6任课教师王翥信号检测与处理之三第三章取样与取样积分器§3.1 取样的物理过程其电路的工作过程如下：在通常状态下，偏压+E 通过电阻Rg 使二极管D 反向偏置，信号不能通过取样门。
当二极管D 的正端加上正极性尖脉冲，且脉冲幅度超过偏压E 时，则二极管导通。
Rg Ri+E7任课教师王翥信号检测与处理之三第三章取样与取样积分器§3.1 取样的物理过程RgRi+E由于取样脉冲具有一定的宽度τ，因此二极管导通时间就等于取样脉冲的宽度。
在有效开门时间τ内，信号通过二极管，并由电容C 积分保持输出。
8任课教师王翥信号检测与处理之三第三章取样与取样积分器§3.1 取样的物理过程对于高频信号的取样，常用如图2(b)所示的四管平衡取样门电路。
常用的检测电路
量放大器, AD521集成测量放大器管脚说明和
基本应用电路如图3所示。
图3 AD521管脚及应用电路
该测量放大器的放大倍数按下面公式计算：
U0 RS G Ui Rg (10.6)
在使用AD521时，要特别注意为偏置电流提供回路。 图4给出了传感器与检测电路几种不同的耦合方式下 的接地方法:
图4 AD521输入信号耦合方式
图2 三运算放大器构成的测量放大器
根据运算放大器的基本分析方法，图2中的输出 电压:
2R1 U 0 (U 01 U 02 ) (1 )(U i1 U i 2 ) （ 10.4） R R R2
Uid Ui1 Ui2 设 ,则输出为: Rf 2R1 U0 (1 )U id R R2
本节内容不作具体转换电路的分析，只介绍有转换电路类型及功能。
１、模/数转换器 Ａ／Ｄ转换可分为直接法和间接法。 直接法是把电压直接转换为数字量，如逐次比 较型的A／D转换器。 间接法是把电压先转换成某一中间量，再把中 间量转换成数字量。 (1) 逐次比较型模/数转换器 逐次比较型A／D转换就是将输入模拟信号与不 同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在 数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。
１、一阶低通有源滤波器
一阶有源低通滤波器由RC网络和运算放大器 构成，如图12（a）所示。
图12 一阶低通滤波器及其幅频特性
由图12（a）可得
U 1 1 jC Ui Ui (9) 1 1 jRC R jC
又由虚短，则
U 0 (1
Rf
Ui ) (10) R1 1 jRC
Uo Rf R Ui (10.8)
图11 ISO100的基本接法
2 信号处理电路
电子电路中的信号处理和滤波方法有哪些
电子电路中的信号处理和滤波方法有哪些在电子电路中，信号处理和滤波是非常重要的技术，它们能够对信号进行分析、改善和处理，以达到我们所需的信号质量。
本文将介绍一些常见的信号处理和滤波方法，包括模拟滤波和数字滤波等。
一、模拟滤波方法1. 低通滤波器（Low-pass Filter）低通滤波器用于去除信号中高频部分，只保留低频部分。
它能够平滑信号并减少噪声的干扰。
常见的低通滤波器有RC滤波器和二阶巴特沃斯滤波器等。
2. 高通滤波器（High-pass Filter）高通滤波器用于去除信号中低频成分，只保留高频成分。
它常用于信号的边缘检测和频率分析等应用。
常见的高通滤波器有RL滤波器和二阶巴特沃斯滤波器等。
3. 带通滤波器（Band-pass Filter）带通滤波器用于只保留信号中某个频率范围的成分，而去除其他频率范围的成分。
它常用于信号的频带分割和频率选择等应用。
常见的带通滤波器有电感耦合滤波器和椭圆滤波器等。
4. 带阻滤波器（Band-stop Filter）带阻滤波器用于去除信号中某个频率范围的成分，而保留其他频率范围的成分。
它常用于干扰抑制和频率选择等应用。
常见的带阻滤波器有品质因数滤波器和陷波器等。
二、数字滤波方法1. FIR滤波器（Finite Impulse Response Filter）FIR滤波器是一种非递归滤波器，它可以通过向输入信号加权和求和的方式对信号进行处理。
FIR滤波器具有线性相位和稳定性的特点，常用于实时处理和功率谱估计等应用。
2. IIR滤波器（Infinite Impulse Response Filter）IIR滤波器是一种递归滤波器，它可以通过将输出信号反馈到滤波器中进行处理。
IIR滤波器具有较好的频率响应和滤波效果，但容易引起不稳定性。
常见的IIR滤波器有巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器等。
3. 自适应滤波器（Adaptive Filter）自适应滤波器是一种能够根据输入信号的特点自动调整滤波参数的方法。
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• 存在虚断;
U+> U-时， UO＝＋UOM u+< U-时， UO＝－UOM
• 不存在虚短 ; u- ui
u 0
模 拟电子技术
3、电压传输特性???
当 uI < 0 时，uO = + UOM ；
当 uI > 0 时，uO= - UOM；
过零比较器的传输特性
阈值电压：UTH＝0
uO +UOM
使输出产生跃变的输入电压 称为阈值电压，此时虚短存在。
O
uI
总结：输入电压和零电压进行比较， -UOM
所以叫过零比较器。
模 拟电子技术
三、几种常用的电压比较器
1）单阈值比较器：只有一个阈值电压； 2）滞回比较器：具有滞回特性，两个阈值电压； 3）窗口比较器：两个阈值电压，输入增加时输出跃变两次。
模 拟电子技术
8.3.2 单阈值电压比较器
一、过零比较器
1、电路组成
2、电路特点
• 运放工作在开环，非线性区; UI=1mV时， UO=?
(BPF—Band Pass Filter)
构成思路：
20lg A·u / dB
fH f
fL
f
fL f0 fH
f
fH > fL
模 拟电子技术
8.2.4 有源带阻滤波电路
在规定的频带内，信号被阻断，U i
低通
U o
在此频带以外的信号能顺利通
过。
高通
20lg Au
低通
O
f1
20lg Au
O 20lg Au
8.3.1 概述
一、电压比较器的功能：比较两个电压的大小。 输入端的信号：参考电压和输入信号； 输出电压：高电平和低电平两种情况。 广泛用于各种报警电路。
二、电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uO＝f(uI) 电压传输特性的三个要素：
1）输出高电平UOH和输出低电平UOL； 2）阈值电压UTH； 3）输入电压过阈值电压时，输出跃变的方向；
如果 Q 会出现什么情况？
模 拟电子技术
三种类型的有源低通滤波器
Q值决定于f=f0附近的频率特性。 按照f=f0附近频率特性的特点，可将滤波器分为:
巴特沃思（Butterworth） Q=0.707 切比雪夫(Chebyshev) Q>0.707 贝塞尔（Bessel） Q<0.707
三种类型二阶LPF幅频特性
1
(
f f0
)2
1 Q
f f0
20lg AU / AUP 40dB;
注 意 ： 当 Q=0.707
时
f = f0 处的输出衰减
为-3dB。
模 拟电子技术
等效品质因数Q
Au
1(
f
Aup )2
j
1
f
f0
Q f0
f f0 20 lg AU / Aup 20 lg Q;
Q:对于低通和高通滤波器而言，当外加信号的频率f=f0时，放 大倍数的模与通带电压放大倍数之比。
• 频率趋于零，频率趋于无穷大，电压放大倍数 趋于零的滤波器是什么滤波器？
模 拟电子技术
A1、A2各组成什么电路？ 电路为LPF
f 0，Au ? f ，Au ?
模 拟电子技术
8.3 电压比较器
8.3.1 概述 8.3.2 单阈值电压比较器 8.3.3 滞回比较器 8.3.4 窗口比较器
模 拟电子技术
模 拟电子技术
模 拟电子技术
Q=5
Q 1 3 Aup
模 拟电子技术
8.2.2 有源高通滤波电路
一、二阶压控高通电路
Rf
R1
8
CC
·
Ui R R
·
UoAuΒιβλιοθήκη 1 (Aup f0 )2
j
1
f0
f
Qf
Aup
1
Rf R1
f0
1 2RC
Q 1 3 Aup
模 拟电子技术
模 拟电子技术
8.2.3 有源带通滤波电路
高通 f2
f
f2 > f1
f
通阻通
O
f1
f2
f
模 拟电子技术
讨论：
• 频率趋于零，电压放大倍数趋于通带放大倍数, 频率趋于无穷大，电压放大倍数趋于零的滤波 器, 是什么滤波器？
• 频率趋于零，电压放大倍数趋于零,频率趋于无 穷大，电压放大倍数趋于通带放大倍数的滤波 器是什么滤波器？
• 频率趋于零，频率趋于无穷大，电压放大倍数 趋于通带放大倍数的滤波器是什么滤波器？
模 拟电子技术
Au
1 (
f f0
)2
Aup j[3
Aup ]
f f0
Q 1 3 Aup
Aup
1 ( f )2 j 1 f
f0
Q f0
f 0.1 f0 20lg AU / AUP 0dB;
f f0 20lg AU / Aup 20lg(1/ Q);
f 10 f0
2
2
20lg AU / Aup 20lg