微弱信号检测装置(国科大电子电路大作业)要点
摘要 1Abstract 1第一章绪论 21.1 微弱信号检测技术概述 21.2 信号检测的方法及微弱信号的特点 21.2.1 常规小信号的检测方法 21.2.2 微弱信号的检测方法 41.2.3 微弱信号的特点 41.3 本文的主要工作 5第二章微弱信号检测装置设计方案选择与论证 62.1 方案选择与论证 62.1.1 系统方案的确定 62.1.2 移相网络设计 92.2 总体方案论述 9第三章基于锁相放大的微弱信号检测装置设计 103.1 锁相放大器原理 103.2 移相网络 103.3 相敏检波器原理分析113.4 电路设计 123.4.1 加法器 123.4.2 纯电阻分压网络 123.4.3 前级放大电路模块 133.4.4 带通滤波器 133.4.5 相敏检波器 13第四章仿真分析与程序设计 164.1 仿真分析 164.1.1 输入信号波形（前置两级放大电路输入波形） 164.1.2 经过前置放大电路和带通滤波器后输出波形 164.1.3 参考信号输入输出波形 174.1.4 LM311 过零比较器输出波形 184.1.5 开关乘法器输出波形 184.1.6 低通滤波输出波形 194.2 程序设计 20第五章 实物展示与测试方案及结果 215.1 实物展示 215.2 测试方案与测试结果 215.2.1 测试仪器 215.2.2 测试方案 215.3 测试结果及分析 235.4 总结 231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已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路和显示电路完成微小信号的检测和显示在液晶屏上。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CD4053， 最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号， 将该直流信号送入单片机处理后， 液晶显示出来。 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 强噪声 相敏检测AbstractThe system of weak signal detection is based on lock-in amplifier device,used for the detection of known weak sinusoidal signal under strong noise background frequency . The system consists of an adder,pure resistor divider network, weak signal detection circuit and display circuit. The adder and the pure resistor divider network to produce small signal, weak sig nal detection circuit and display circuit to complete the detection of tiny signal and displayed on the LCD screen. The system is based on a phase sensitive detector as the core, the reference signal through the phase shifter, then through the comparator produces square wave to drive swtich multiplier CD4053, finally through the low pass filter output DC signal detection of weak signal ,the DC signal was transmitted into the mircrocontroller processing , then the liquid crystal displayed. The system achieves the tiny signal successfully.Key Word ： weak signal strong noisephase sensitive detection第一章 绪论1.1 微弱信号检测技术概述在自然现象和规律的科学研究和工程实践中荧光光强；卫星信号的接收；红外探测以 及经常遇到需要检测毫微伏量级信号的问题，比如测定地震的波形和波速；材料分析时测 量生物电信号测量等，这些问题都归结为噪声中的微弱信号的检测。微弱信号检测技术是 采用电子学，信息论，计算机和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信 号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。微弱信号检测的宗旨是研究如何从 强噪声中提取有用的信号，任务是研究微弱信号的检测的理论。在现代信息技术领域中， 微弱信号检测是一项重要的内容，同时也是工程技术中人们获得各种有用信息的一项重要 手段。微弱信号的概念有两种含义：一种是有用信号的幅度相对于噪声显得很微弱；另一种是有用信号的幅值本身绝对值很小。研究噪声中微弱信号检测的原理和方法，是信号处理 技术中的综合技术和尖端领域。运用这种技术可以检测到传统观念认为不可能检测的微弱 量（如：弱光，小位移，微小振动，弱声，微电流等），大大提高了微弱信号的检测精度。随着社会以及科技的发展，微弱信号检测在雷达、声纳技术、振动测量、故障诊断、通信、 物理学、系统辨识等领域有着广泛的应用，在国内外也越来越受到重视。随着科技的发展 对微弱信号进行检测的需求日益迫切。1.2 信号检测的方法及微弱信号的特点1.2.1 常规小信号的检测方法与微弱信号相比，小信号的信噪比要高的多，检测技术也更容易些。从提高信噪比，从而检测出被噪声污染的有用信号的角度来看，小信号检测和微弱信号检测有一定的共同之处，以下是常规小信号的检测方法，对微弱信号检测具有一定的参考价值。 滤波在大部分检测仪器中都需要对模拟信号进行滤波处理，有的滤波时为了隔离直流分量，有的滤波时为了改善信号波形，有的滤波是为了防止离散化的频率混叠，更多的滤波是为了克服噪声的不利影响，从而提高信噪比。根据噪声和信号的不同特性，常用的抑制噪声的滤波器为低通滤波器 （LPF）和带通滤波器（BPF）,止匕外，有时为了抑制某一 特定频率的干扰噪声的不利影响，有时带阻滤波器（即陷波器）。调制放大与解调对于缓变信号或者直流信号，若未经变换处理而直接用直流放大器进行放大，则传感 器和前级放大器的1/f噪声以及缓慢漂移（包括温度漂移和时间漂移）经过放大器后会以 很大的幅度出现在后级放大器的输入端，当有用信号幅度很小时，可能根本检测不出来。 而简单的电容隔直方法能有效地抑制漂移和低频噪声，但是对有用信号的低频也具有衰减 的作用。在这种情况下，利用调制放大器能够有效的解决上述的问题。这样的调制放大器 大多采用幅度调制的方法。零位法图1零位法检测信号原理图一般的直接指示测量仪表方法是将被测信号放大到一定的幅度，以驱动表头指针的偏转角 度来指示被测量的大家；零位法是调整对比量的大小，使其尽量接近被测量量，由对比量 指示出被测量的大小，如图1所示。图中零位表指针只用来表示，被测量和对比量之间的 差异值，当零位表指示近似为0时，对比量大小就表征了被测量的大小。1.2.2 微弱信号的检测方法锁相放大器微弱信号检测常规的微弱信号检测方法根据信号本身的特点不同，一般有三条途径：一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高信噪比；二是研制适合微弱检测原理并能满足特殊需要的器件，如锁相放大器；三是利用微弱信号检测技术，通过各种手段提取信号，锁相放大器由于具有中心频率稳定，通频带窄，品质因数高等优点得到了广泛的应用。常用的模拟锁相放大器，虽然速度快，但是参数稳定性和灵活性差；传统的数字锁相放大器一般使用高速的 A/DC 对信号进行高速采样，然后使用比较复杂的算法进行锁相运算，这对微处理的要求较高；现提出的新型锁相检测电路是模拟与数字方法的有机结合，这种电路将待测信号和参考信号相乘的结果，经过高精度的 ADC 采样，采样率不高，因此对于处理器的运算能力和速度要求不高，算法和电路更加简单。1.2.3 微弱信号的特点 待检测信号的信噪比较低待测信号本身幅值比较低， 同时在获取或转换、 传输过程中又受到环境噪声以及获取、转换和传输设备本身的噪声干扰，所以待测信号的信噪比较低。 实时性在通讯、雷达、医学成像等领域对微弱信号检测技术都有广泛的要求，而在这些场合应用对实时性的要求也比较高。传统的 WSD 方法分为频域分析法和时域分析法。除了前面提到的一系列测量方法外，还有取样积分法，时域平均法以及一些比较新的 WSD 方法， 如差分振子法、高阶统计量、小波分析、随机共振、神经网络、独立分量分析法等等。1.3 本文的主要工作第一章绪论，简要介绍了微弱信号检测技术的概念，小信号和微弱信号检测的几种方法以及微弱信号检测技术的特点。第二章主要介绍了本文微弱信号检测装置的设计方案的选择以及总体的设计思想。第三章主要介绍基于锁相放大的微弱信号检测装置设计。本章从加法器单元电路的设计、纯电阻单元电路的设计、锁相放大器电路的设计这几个方面对微弱信号检测装置进行理论计算和分析。第四章各部分仿真结果分析及软件设计。第五章测试方案、实物展示与测试结果。8第二章微弱信号检测装置设计方案选择与论证2.1 方案选择与论证2.1.1 系统方案的确定设计微弱信号检测装置的核心在于微弱信号检测电路，因此重点考虑此部分方案的选 择与论证。方案一：带通滤波设计以目标频率为中心频率的带通滤波器，则该滤波器只允许与目标频率同频率的正 弦信号通过。优点：这种方法电路设计相对便捷，结果直观，能直接将目标信号从混合中提取出来。缺点：电路稳定性较难控制，滤波器很难达到极高的 Q值。对元器件精度要求较高（如电阻、电容值）o滤波器中心频率一经确定，很难再依据信号的频率改变而改变，无法实现较 宽频带范围内的正弦信号提取。图2.1.1窄带滤波系统框图如图2.1.1为窄带滤波系统框图。窄带滤波利用了信号的功率谱密度较窄而噪声的功率 谱相对很宽的特点，所以窄带滤波器的作用是滤掉宽带噪声，只让有用信号通过，将窄带 信号提取出来。由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一部分通过而滤掉了大部分噪声功 率，因此输出信噪比可以有很大改善。晶体窄带滤波器可以做到等于万分之几左右提高信噪比，但是即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，所以这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常它只用在对噪声特 性要求不很高的场合。方案二：取样积分电路取样积分电路，适合衰减性较强和周期信号处理的信号检测。优点：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 JN倍 缺点：数据运算量较大，耗时，效率低下。不利于重复频率的信号恢复。不适宜单片机处理和实时显示。图2.1.2取样积分电路系统框图
