2012年江苏省电子设计大赛A题微弱信号检测装置设计报告

2012年江苏省TI杯模拟电路设计竞赛论文参赛学校：三江学院

参赛题目：微弱信号检测装置

作者：李亮王尧王慧

指导教师：徐伦龚秋英

2012年8月

本作品使用TI公司的OPA134运算放大器、INA2134PA音频差动放大器、OPA2228、IF353等芯片为主要控制器，辅以电源、MPS430系列单片机、LCD显示等电路，实现了设计并制作出一套微弱信号检测装置。其中锁相放大器（lock －in. Amplifier 简称LIA）在此作品中就是检测淹没在噪声中的微弱信号，它可用于测量交流信号的幅度和相位，有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度，可测量毫微伏量级的微弱信号。首先通过把噪声源放大，使之输出的均方根电压值满足要求；然后使用加法器将函数发生器产生的有用信号与放大之后的噪声源叠加成为一个信号。之后通过纯电阻网络进行衰减，再通过锁相环放大电路进行检波滤波，最后通过单片机AD采集相敏检波得到的直流信号电压通过滤波算法从而得到准确的幅值信息并在12864上显示出。

关键词：微弱信号峰值检波锁相放大 MPS430

一、系统整体方案设计 (1)

1、赛题分析 (1)

2、系统结构 (1)

3、实现方法 (1)

4、方案选择 (2)

二、理论分析与计算 (3)

1、理论分析 (3)

基础部分 (3)

2、关键电路分析 (3)

1）有源带通滤波电路 (3)

2)锁相放大电路 (4)

三、电路设计 (6)

1、电路机理 (6)

1）噪声放大模块 (6)

2）加法器模块 (6)

3）纯电阻分压模块 (7)

4）低通滤波模块 (7)

5）跟随器模块 (8)

2、各部分电路实现的功能 (8)

1）OPA134音频放大 (8)

2）INA2134PA加法器 (8)

3）OPA134跟随器 (8)

4）纯电阻分压网络 (9)

5）带通滤波电路与锁相放大电路 (9)

6）微弱信号检测电路 (9)

四、程序设计 (9)

1、软件功能结构 (9)

2、主模块实现流程 (9)

五、测试方案与测试结果 (9)

1、测试仪器 (9)

2、测试方案 (10)

3、测试结果与分析 (10)

六、设计总结 (11)

1、存在的问题 (11)

2、设想展望 (11)

七、参考文献 (12)

八、附件 (12)

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一、系统整体方案设计

1、赛题分析

本作品的任务是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，并数字显示出该幅度值即峰值。正弦波

信号源是由函数发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav 文件）来产生，

通过MP3的播放器播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声的幅度通过

调节播放器的音量来进行控制。

2、系统结构

本作品以TI 公司生产各种芯片为主要控制部件，设计并制作一套微弱信号

检测装置。系统包含以下几个部分：MSP430单片机最小系统、放大器、加法器、

纯电阻分压网络、微弱信号检测电路以及增强后继驱动能力的跟随器。通过单片

机对微弱信号的处理在LCD12864上显示出信号的峰值。

系统整体方框图，如图1所示：

图1 系统方框图

3、实现方法

首先通过把噪声源放大，使之输出的均方根电压值固定为1V 0.1V ；然后

使用加法器将函数发生器产生的有用信号与放大之后的噪声源叠加成为一个叠

正弦波信号源 噪声源

加法器 纯电阻 分压网络 微弱信号 检测电路 显示电路

加信号。之后通过纯电阻网络将其衰减100倍，再通过锁相环放大电路进行检波滤波，最后通过单片机AD采集相敏检波得到的直流信号电压通过滤波算法进而得到更准确的幅值信息并在12864上显示出。

4、方案选择

方案一：选用带通滤波滤除频率远大于和远小于中心频率1KHZ的噪声信号。但是对于与有源带通滤波来说，有源滤波器不需要电感，能够提供增益，同时还可以与电压跟随器相结合使用，使得滤波器每级与电源和负载阻抗的影响隔离开，这种隔离允许独立设计滤波起各级，然后级联起来实现所要求的传递函数。但是，一般只有理想化的带通滤波才能完全滤掉干扰信号，而现实的滤波器不能。

方案二：选用锁相放大电路滤除噪声信号。锁相放大器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（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是微弱信号检测的一种有效方法。用锁相滤波，通过相敏检波得到关于相位差和原始信号幅值的直流信号，通过计算可得原始信号幅值。

两种方案的缺点：由于衰减后信号强度很小，滤波完成后得到的直流信号也很小，加之电流源对电路带来的工频信号参杂在直流信号里使得得到的信号浮动大，进而使测得的幅值精度大大减小。

因此本次作品是以两种方案相结合的方式，先用有源带通滤波进行一级滤波，然后再通过锁相放大进行二级滤波。但是，方案一有很多不足之处，所以在方案一的基础上对于它的不足之处进行改进，在滤波时增大运放增益，使得目标信号强度增强，从而减小工频信号的影响。这样就可以得到更准确的测量幅值。所以综上所述，经过综合考虑将方案一二结合运用。

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二、理论分析与计算

1、理论分析

基础部分

因为1KHZ的正弦有用信号参杂噪声之后如果仅仅使用带通滤波，虽然可以滤到一部分杂波，但由于是微弱信号直接滤波效果不明显，于是决定先使用带通惊行一次滤波之后再采用锁相环放大电路滤波可以滤出更多的杂波得到有用波。

因为对后继电路需要有更大的驱动能力，所以在设计的过程中加入多个跟随器，提高其带负载的能力。

2、关键电路分析

1）有源带通滤波电路

带通滤波电路只允许某一段内的信号通过，因此，它具有两个截止频率（即上限截至频率和下限截止频率），只要将高通滤波电路和低通滤波电路进行适当组合，即可获得带通滤波电路。如下图(a)图中所示为二阶压控电压源带通滤波电路，电路中R、C组成低通电路，C1、R3组成高通电路，要求RC

＝Q ＝ BW ＝

式中，＝1+ ,为同相放大电路的电压增益，同样要求<3电路才能稳定工作。当f ＝时，带通滤波电路具有最大电压增益称为通带电压增益，用

表示，它等于

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