【研究報(bào)告】微弱信號(hào)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì).doc

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1、微弱信號(hào)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)摘要本系統(tǒng)基于鎖相放大原理,檢測(cè)在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱正弦信號(hào)的峰值。本系統(tǒng)由精密加法器，純電阻衰減器，前置放人器，相敏檢波器，低通濾波器等結(jié)構(gòu)組成。采用增益為1的精密低噪聲音頻差分接收器INA2134做高精度加法器，用精密低噪聲運(yùn)放OPA2227對(duì)微弱信號(hào)放大，利用高精度平衡調(diào)制解調(diào)器AD630做相敏檢波器。整個(gè)系統(tǒng)選用低噪聲元器件，采用合理布線，電源濾波，供電接地等措施盡量降低系統(tǒng)噪聲以及干擾，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)微弱信號(hào)的功能,完成了基木指標(biāo)及部分?jǐn)U展指標(biāo)。關(guān)鍵詞：鎖相放大，鎖相環(huán)跟蹤技術(shù)，微弱信號(hào)檢測(cè)，低噪聲系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證1

2、.加法器設(shè)計(jì)方案一：利用一般集成運(yùn)放芯片外接電阻構(gòu)成負(fù)反饋回路實(shí)現(xiàn)比例放人，通過(guò)反相相加或同相相加實(shí)現(xiàn)信號(hào)的疊加。由于外接電阻精度不夠，以及-?般運(yùn)放噪聲性能不夠好，加法器的精度做不高。方案二：采用增益為1的精密低噪聲音頻差分接收器INA2134做高精度加法器，由于芯片己經(jīng)集成高精度電阻，不需外接電阻，因此加法器精度很高，芯片本身為低噪聲音頻運(yùn)放。二者比較，選用方案二。2.方案一：直接串聯(lián)電阻分壓衰減100倍。方案二：采取JT型電阻網(wǎng)絡(luò)，采用兩級(jí)衰減，每級(jí)為20dB的衰減量，兩級(jí)衰減40dBo方案二有標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式，衰減效果良好，采用兩級(jí)衰減。3.參考信

3、號(hào)的產(chǎn)生方案一：通過(guò)單片機(jī)控制MAXO38產(chǎn)生一定頻率范圍的方波信號(hào)。方案二：通過(guò)NE555定吋器構(gòu)成多諧振蕩器,產(chǎn)生方波參考信號(hào)。方案三：通過(guò)單片機(jī)控制DDS產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的方波信號(hào)。三者比較起來(lái)，由于單片機(jī)控制DDS產(chǎn)生的方波信號(hào)，頻率和相位可調(diào)，電路靈活性大，便于識(shí)別頻率變化的輸入正弦波信號(hào)，因此選用方案三來(lái)作為產(chǎn)生參考信號(hào)的波形發(fā)生器。4.相敏檢波器選取方案一：采用集成模擬乘法器：模擬乘法器調(diào)試復(fù)雜，價(jià)格較高，且要求保證動(dòng)態(tài)范圍大，線性好等，較難實(shí)現(xiàn)。方案二：開(kāi)關(guān)式乘法器：開(kāi)關(guān)式乘法器具有價(jià)格低廉，基木無(wú)需調(diào)試等優(yōu)點(diǎn),是一種較為實(shí)用的相敏檢

4、波器。兩者比較起來(lái)，由于后者具有價(jià)格低廉，基本無(wú)需調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)屮采用開(kāi)關(guān)式乘法器。二、理論分析和計(jì)算1.相關(guān)檢測(cè)技術(shù)利用信號(hào)的周期性和噪聲的隨機(jī)性的差別，通過(guò)自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到去除噪聲的一種技術(shù)。相敏檢波器通過(guò)把輸入信號(hào)與參考信號(hào)相乘再積分的辦法，抑制各種噪聲和干擾，提取信號(hào)屮與參考信號(hào)相關(guān)的成分，把它還原成傳感器輸出的被測(cè)信號(hào)。設(shè)信號(hào)輸入為：X⑴=Vscos（0/+0）Jrr參考信號(hào)廠⑴是幅度為土以的方波，周期為T(mén),角頻率竺。如圖1所示:?€7根據(jù)傅立葉分析的方法，000C廠⑴=°。+工c°sma)ot+工4sinm(votm-W-

5、

6、積分可得:2T0⑴cos(叫122T也”〒EW)sinOgfW丄2圖1參考方波的波形化（―1嚴(yán)吆-1I7i2n-4V總(一1)曲廠⑴=―；——rcos((2n-0^/171気2〃一1t/p(O=x(r).r(r)2VVy兀心(-1嚴(yán)2/7-1cos[(2n一2)如一0]+(-1嚴(yán)2n-lcos(2na)

7、子開(kāi)關(guān)和模擬乘法器相比不僅工作穩(wěn)定性好，血且成本較低，速度更快。1.放大倍數(shù)計(jì)算信號(hào)經(jīng)衰減器衰減100倍，經(jīng)交流前置放大器放大5倍，送入相敏檢波器，濾波后的直流信號(hào)放大20倍輸出，即為原始信號(hào)的幅度值。三、電路設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)總體框圖：輸入正弦波信號(hào)與噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)INA2134精密加法器疊加，純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)衰減100倍，得到微弱信號(hào)，經(jīng)過(guò)OPA2227低噪聲高精度前置放大，與參考信號(hào)一同進(jìn)入相敏檢波器進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，輸岀信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后將交流信號(hào)濾掉，只剩下直流信號(hào)經(jīng)過(guò)直流放大器OP37放大后送入AD采樣，單片機(jī)處理后輸出到顯示器；參考信號(hào)由單片機(jī)控制

8、DDS產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)移相后進(jìn)入相敏檢波器。2.前置放大電路由于純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)衰減后的信號(hào)很微弱，不易檢測(cè)，故先將微弱信號(hào)經(jīng)交流前置放大，再進(jìn)行處理，見(jiàn)圖2所示:::::::::::::R2:tOOkQ:：：：：：：：：：：：：：：：：VA::::—VEE：I；；::：_5V:工；；C1J>r

9、考信號(hào)相關(guān)的成分，把它還原成傳感器輸出的被測(cè)信號(hào)。利用AD630芯片做相關(guān)器，通過(guò)OP37低通