微弱信号检测装置——2012年辽宁省TI杯电子大赛一等奖论文

2012辽宁省电子设计竞赛设计报告

微弱信号检测装置设计

摘 要：

根据要求，我们设计了基于锁相放大的微弱信号检测装置。该装置能够对强噪声背景下的微弱信号进行有效的测量，拥有低输入信噪比、宽输入带宽、测量较准确等优点。

该装置由模拟信号叠加背景噪声的加法器模块、模拟信号衰减的纯电阻分压网络模块、基于锁相放大的微弱信号检测电路模块、基于MSP430的幅值检测显示模块共同组成。

其中加法器由OPA2134搭建，符合题目要求的输出及带宽；分压网络由纯电阻搭建，简单快捷，性价比较高；设备的核心锁相放大器由OPA2134搭建的前置放大器、前置滤波器、低通滤波器、移相器，OP07与4052组成的开关型相敏检测器，OPA2340搭建的比较器构成，完成了强噪声背景下的小信号相干检测，准确且稳定；幅值检测显示模块利用高性能MSP430单片机内置的高精度AD转换器进行采样并经12864显示，美观大方。

关键词：

微弱信号检测；锁相放大器；开关型相敏检测器 ；MSP430单片机

目 录

一． 方案选择与论证 .................................................................................................3

1.1方案选择与论证 ............................................ 3 1.2 总体设计思想.............................................. 3

二． 理论分析与计算 .................................................................................................5

2.1加法器单元电路设计 ........................................ 5 2.2纯电阻单元电路设计 ........................................ 5 2.3锁相放大器电路设计 ........................................ 6 1.前置放大与滤波器电路设计................................. 6 2.相敏检测（鉴相器）电路设计............................... 7 3.参考信号电路设计......................................... 8 4.低通滤波器............................................... 9 2.4 MSP430采样与显示 ........................................ 10

三． 实物展示 ........................................................................................................... 12 四． 测试方案与测试结果 ....................................................................................... 13

4.1 检测仪器................................................. 13 4.2 检测方法与结果........................................... 13

结 论 .......................................................................................................................... 15 参考文献 .................................................................................................................... 16 附录 ............................................................................................................................ 17

一． 方案选择与论证

1.1 方案选择与论证

从本题要求整体分析可知，设计的微弱信号检测装置的核心在微弱信号检测电路，因此方案的选择与论证重点考虑该部分电路： 方案1：

带通滤波：滤波器广泛应用于现代信号处理的各个领域，如调制解调、检测处理等等，滤波器包括低通、高通、带通、带阻。其中带通滤波器适合于本题的小信号检测。但是鉴于本题的极低信噪比，故要求滤波器拥有极高的Q值，那是不可能实现的，故放弃此方案。 方案2：

集成模拟乘法器：利用锁相放大的原理对强噪声背景下的小信号进行相干检测，能够实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。锁相放大器的核心器件是相位敏感期器，利用模拟乘法器如MC1496实现鉴相，调试复杂，价格较高，且动态范围小，线性度较差，故放弃。 方案3：

开关式乘法器：采用方案2的对小信号的检测原理，即利用锁相放大器对强噪声背景下的小信号进行相干检测。但是其核心器件相位敏感期器由开关式乘法器搭建，具有价格低廉，基本无需调试等优点，是一种较为实用的相敏检波器。 方案选定：

综上，本设计采用方案3，即采用以开关式乘法器为核心的锁相放大器搭建微弱信号检测电路，对本题中的微弱信号进行检测。

1.2

总体设计思路及框图

总体设计思路：

首先正弦波信号源产生的信号与噪声源经OPA2134搭建的加法器相加，保证了输出精度及要求的1MHz带宽；之后经过纯电阻分压网络衰减100倍，进入微弱信号检测电路；微弱信号检测电路包括前置放大器，前置滤波器，鉴相器，低通滤波器以及由移相器和比较器构成的参考通道，由OPA2134、OPA2340、LF317、OP07、4052等芯片具体实现；最后的检测及显示电路由MSP430的内置AD及12864

液晶共同实现。 总体设计框图：

微弱信号检测系统框图

锁相放大器框图

二． 理论分析与计算

衰减网络

纯电阻分压网络衰减系数A不低于100，A= (R1+R2) /R2。测试后电阻R1= 200K,R2=2K，A=101

2.3 锁相放大器电路设计

锁相放大器是以相干检测技术为基础，利用参考信号频率与输入输入信号频率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声中提取出有用信号，使得测量精度大大提高。锁相放大器设计分成四个模块：前置放大与低通滤波、相敏检测器（鉴相器）、参考通道（移相器与比较器）、低通滤波器。

2.3.1前置放大和滤波器

前置滤波器、放大 …… 此处隐藏：3537字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……