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1、微弱信號檢測裝置（A題）摘要本系統(tǒng)是基于鎖相放大器的微弱信號檢測裝置，用來檢測在強噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號的幅度值。該系統(tǒng)由加法器、純電阻分壓網絡、微弱信號檢測電路和顯示電路組成。其中加法器和純電阻分壓網絡生成微小信號，微弱信號檢測電路和顯示電路完成微小信號的檢測和顯示在液晶屏上。本系統(tǒng)是以相敏檢波器為核心，將參考信號經過移相器后，接著通過比較器產生方波去驅動開關乘法器CD4053，最后通過低通濾波器輸出直流信號檢測出微弱信號，將該直流信號送入單片機處理后，液晶顯示出來。經最終的測試，本系統(tǒng)能較好地完成微小信號的檢測。關鍵詞：微弱
2、信號強噪聲相敏檢測1系統(tǒng)方案1.1方案論證與比較1.1.1微信號檢測電路方案一：采用濾波電路檢測微小信號，通過濾波電路將微小信號從強噪聲中檢測出來，但濾波電路中心頻率是固定的，而信號的頻率是可變的，無法達到要求，所以該方案不可行。方案二：采用取樣積分電路檢測小信號，利用取樣技術，在重復信號出現(xiàn)的期間取樣，并重復N次，則測量結果的信噪比可改善倍，但這種方法取樣效率低，不利于重復頻率的信號恢復。方案三：采用鎖相放大器檢測小信號，鎖相放大器由信號通道、參考通道、和相敏檢波器等組成，其中相敏檢波器（PSD）是鎖相放大器的核心，PSD把從信號通道輸出
3、的被測交流信號進行相敏檢波轉換成直流，只有當同頻同相時，輸出電流最大，具有很好的檢波特性。由于該測試信號的頻率是指定的且噪聲強、信號弱，正好適合于鎖相放大器的工作情況，故選擇方案三。1.1.2移相網絡設計因為檢測電路選擇了鎖相放大器，而移相網絡是鎖相放大器中的一部分，在此進行分析。方案一：采用全通濾波器模擬移相電路，一階全通濾波器的移相范圍接近180度，所以通過設計兩級濾波則可使移相范圍達到360度。方案二：采用數(shù)字移相方法，數(shù)字移相可以在4個象限內進行0～89°8的調節(jié)，合起來即實現(xiàn)了0～360°的移相，由集成芯片控制頻率和相位預值，如用
4、CD4046鎖相環(huán)組成。方案一與方案二相比，電路簡單可靠，且方案二增加了電路的復雜度，成本也很高。故選擇方案一。1.2總體方案論述綜上所述，本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由加法器、衰減器、前置放大電路、帶通濾波器、同相電路、反相電路、移相器、開關電路和低通濾波器構成；其中由同相放大電路構成的加法器將噪聲信號加到待測信號中，使得信號湮滅在噪聲中，然后經過衰減器衰減100倍以上，送到由放大電路、帶通濾波、同相、反相、移相、比較和低通濾波器構成微信號檢測電路中。本系統(tǒng)以相敏檢波器為核心，將參考信號經過移相電路和比較器輸出方波驅動開關管乘法器，輸出
5、直流信號然后通過單片機A/D轉換，最后在液晶上顯示出來。圖1系統(tǒng)總體框圖2理論分析與計算2.1鎖相放大器原理鎖相放大器由信號通道、參考通道、相敏檢波器以及輸出電路組成，是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻、同相的噪聲分量有響應。所以它能大幅度抑制噪聲信號，提取出有用信號。一般鎖相放大器具有極高的放大倍數(shù)，若有輔助前置放大器，增益可達220dB，能檢測極微弱信號交流輸入、直流輸出，其直流輸出電壓正比于輸入信號幅度及被測信號與參考信號相位差。由此可
6、見，鎖相放大器具有極強的抗噪聲能力。它和一般的帶通放大器不同，輸出信號并不是輸入信號的放大，而是把交流信號放大并變成相應的直流信號。2.2相敏檢波器分析相敏檢波器分為模擬乘法器和開關式乘法器，本設計采用開關式乘法器。相敏檢波器（PSD）的本質其實就是對兩個信號之間的相位進行檢波，當兩個信號同8頻同相時，這時相敏檢波器相當于全波整流，檢波的輸出最大。其中圖2為相敏檢波器的基本框圖。圖2PSD基本框圖工作過程如下：設輸入信號為。參考輸入時幅度為的方波，其周期為，角頻率為，根據(jù)傅里葉分析的方法，這種周期性函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)可得的傅里葉級數(shù)表
7、示式為上式右邊第一項為差頻項，第二項為和頻項。經過LPF的濾波作用，的差頻項及所有的和頻項均被濾除，只剩的差頻項為當方波幅度時，可以利用電子開關實現(xiàn)方波信號的相乘過程，即當為時，電子開關的輸出連接到；當為時，電子開關的輸出連接到，這時LPF的輸出為當經過開關乘法器，角度之差為0時，輸出信號最大。2.3移相網絡因為輸出信號與信號的相位差有關，所以必須加入移相網絡。移相是指兩種同頻的信號，以其中一路8為參考，另一路相對于該參考做超前或滯后的移動，即稱為相位的移動。由方案論證得，本設計采用模擬移相電路。模擬移相電路其實就是一個全通濾波電路，它的放
8、大倍數(shù)Au=（-1+jwRC）/(1+jwRC)，寫成模和相角的形式為：
9、Au
10、=1,φ=180°-2arctan（f/f0），其中f0=1/（2πRC）。每個濾波器相移范圍均接
