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《微弱信號(hào)檢測(cè)裝置.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫(kù)。
1、微弱信號(hào)檢測(cè)裝置（A題）摘要本系統(tǒng)是基于鎖相放大器的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置，用來檢測(cè)在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號(hào)的幅度值。該系統(tǒng)由加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、微弱信號(hào)檢測(cè)電路和顯示電路組成。其中加法器和純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)生成微小信號(hào)，微弱信號(hào)檢測(cè)電路和顯示電路完成微小信號(hào)的檢測(cè)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(hào)經(jīng)過移相器后，接著通過比較器產(chǎn)生方波去驅(qū)動(dòng)開關(guān)乘法器CD4053，最后通過低通濾波器輸出直流信號(hào)檢測(cè)出微弱信號(hào)，將該直流信號(hào)送入單片機(jī)處理后，液晶顯示出來。經(jīng)最終的測(cè)試，本系統(tǒng)能較好地完成微小信號(hào)的檢測(cè)。關(guān)鍵詞：微
2、弱信號(hào)強(qiáng)噪聲相敏檢測(cè)1系統(tǒng)方案1.1方案論證與比較1.1.1微信號(hào)檢測(cè)電路方案一：采用濾波電路檢測(cè)微小信號(hào)，通過濾波電路將微小信號(hào)從強(qiáng)噪聲中檢測(cè)出來，但濾波電路中心頻率是固定的，而信號(hào)的頻率是可變的，無法達(dá)到要求，所以該方案不可行。方案二：采用取樣積分電路檢測(cè)小信號(hào)，利用取樣技術(shù)，在重復(fù)信號(hào)出現(xiàn)的期間取樣，并重復(fù)N次，則測(cè)量結(jié)果的信噪比可改善倍，但這種方法取樣效率低，不利于重復(fù)頻率的信號(hào)恢復(fù)。方案三：采用鎖相放大器檢測(cè)小信號(hào)，鎖相放大器由信號(hào)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(hào)通道
3、輸出的被測(cè)交流信號(hào)進(jìn)行相敏檢波轉(zhuǎn)換成直流，只有當(dāng)同頻同相時(shí)，輸出電流最大，具有很好的檢波特性。由于該測(cè)試信號(hào)的頻率是指定的且噪聲強(qiáng)、信號(hào)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)因?yàn)闄z測(cè)電路選擇了鎖相放大器，而移相網(wǎng)絡(luò)是鎖相放大器中的一部分，在此進(jìn)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(shè)計(jì)兩級(jí)濾波則可使移相范圍達(dá)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(gè)象限內(nèi)進(jìn)行0～89°的調(diào)節(jié)，合起來即實(shí)現(xiàn)了0～360°的移相，由集成芯片控制頻率和相位預(yù)值，
4、如用CD4046鎖相環(huán)組成。方案一與方案二相比，電路簡(jiǎn)單可靠，且方案二增加了電路的復(fù)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(guān)電路和低通濾波器構(gòu)成；其中由同相放大電路構(gòu)成的加法器將噪聲信號(hào)加到待測(cè)信號(hào)中，使得信號(hào)湮滅在噪聲中，然后經(jīng)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(gòu)成微信號(hào)檢測(cè)電路中。本系統(tǒng)以相敏檢波器為核心，將參考信號(hào)經(jīng)過移相電路和比較器輸出方波驅(qū)動(dòng)開關(guān)管乘法器
5、，輸出直流信號(hào)然后通過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)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(jì)算2.1鎖相放大器原理鎖相放大器由信號(hào)通道、參考通道、相敏檢波器以及輸出電路組成，是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器。它利用和被測(cè)信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻、同相的噪聲分量有響應(yīng)。所以它能大幅度抑制噪聲信號(hào)，提取出有用信號(hào)。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(dá)220dB，能檢測(cè)極微弱信號(hào)交流輸入、直流輸出，其直流輸出電壓正比于輸入信號(hào)幅度及被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相位差
6、。由此可見，鎖相放大器具有極強(qiáng)的抗噪聲能力。它和一般的帶通放大器不同，輸出信號(hào)并不是輸入信號(hào)的放大，而是把交流信號(hào)放大并變成相應(yīng)的直流信號(hào)。2.2相敏檢波器分析相敏檢波器分為模擬乘法器和開關(guān)式乘法器，本設(shè)計(jì)采用開關(guān)式乘法器。相敏檢波器（PSD）的本質(zhì)其實(shí)就是對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間的相位進(jìn)行檢波，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同頻同相時(shí)，這時(shí)相敏檢波器相當(dāng)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(shè)輸入信號(hào)為。參考輸入時(shí)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(jí)數(shù)可得的傅里
7、葉級(jí)數(shù)表示式為上式右邊第一項(xiàng)為差頻項(xiàng)，第二項(xiàng)為和頻項(xiàng)。經(jīng)過LPF的濾波作用，的差頻項(xiàng)及所有的和頻項(xiàng)均被濾除，只剩的差頻項(xiàng)為當(dāng)方波幅度時(shí)，可以利用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)方波信號(hào)的相乘過程，即當(dāng)為時(shí)，電子開關(guān)的輸出連接到；當(dāng)為時(shí)，電子開關(guān)的輸出連接到，這時(shí)LPF的輸出為當(dāng)經(jīng)過開關(guān)乘法器，角度之差為0時(shí)，輸出信號(hào)最大。2.3移相網(wǎng)絡(luò)因?yàn)檩敵鲂盘?hào)與信號(hào)的相位差有關(guān)，所以必須加入移相網(wǎng)絡(luò)。移相是指兩種同頻的信號(hào)，以其中一路為參考，另一路相對(duì)于該參考做超前或滯后的移動(dòng)，即稱為相位的移動(dòng)。由方案論證得，本設(shè)計(jì)采用模擬移相電路。模擬移相電路其實(shí)就是一個(gè)全通濾波電路
8、，它的放大倍數(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(gè)濾波器相移范圍均接近18
