微弱信號(hào)檢測.doc

微弱信號(hào)檢測實(shí)驗(yàn)報(bào)告微弱信號(hào)檢測電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱： 微弱信號(hào)檢測電路 專業(yè)名稱： 電子與通信工程 年 級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 任課教師： 微弱信號(hào)檢測裝置摘 要：本系統(tǒng)是基于鎖相放大器的微弱信號(hào)檢測裝置，用來檢測在強(qiáng)噪聲背景下，識(shí)別出已知頻率的微弱正弦波信號(hào)，并將其放大。該系統(tǒng)由加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、微弱信號(hào)檢測電路組成。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)檢測電路完成微小信號(hào)的檢測。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CD4066，最后通過低通濾波器輸出直流信號(hào)檢測出微弱信號(hào)。經(jīng)最終的測試，本系統(tǒng)能較好地完成微小信號(hào)的檢測。關(guān)鍵詞： 微弱信號(hào)檢測 鎖相放大器 相敏檢測 強(qiáng)噪聲1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并制作一套微弱信號(hào)檢測裝置，用以檢測在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號(hào)的幅度值。整個(gè)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。正弦波信號(hào)源可以由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來代替。噪聲源采用給定的標(biāo)準(zhǔn)噪聲（wav文件）來產(chǎn)生，通過PC機(jī)的音頻播放器或MP3播放噪聲文件，從音頻輸出端口獲得噪聲源，噪聲幅度通過調(diào)節(jié)播放器的音量來進(jìn)行控制。圖中A、B、C、D和E分別為五個(gè)測試端點(diǎn)。正弦波信號(hào)源微弱信號(hào)檢測電路噪聲源VS VN VC Vo 純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)輸出加法器Vi A B C D E 圖1 微弱信號(hào)檢測裝置示意（1）基本要求1 噪聲源輸出VN的均方根電壓值固定為1V0.1V；加法器的輸出VC =VS+VN，帶寬大于1MHz；純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的衰減系數(shù)不低于100。2 微弱信號(hào)檢測電路的輸入阻抗Ri1 MW。3 當(dāng)輸入正弦波信號(hào)VS 的頻率為1 kHz、幅度峰峰值在200mV 2V范圍內(nèi)時(shí)，檢測并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，要求誤差不超過5%。（2）發(fā)揮部分1 當(dāng)輸入正弦波信號(hào)VS 的幅度峰峰值在20mV 2V范圍內(nèi)時(shí)， 檢測并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，要求誤差不超過5%。2 擴(kuò)展被測信號(hào)VS的頻率范圍，當(dāng)信號(hào)的頻率在500Hz 2kHz范圍內(nèi)，檢測并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，要求誤差不超過5%。3 進(jìn)一步提高檢測精度，使檢測誤差不超過2%。4 其它（例如，進(jìn)一步降低VS 的幅度等）。1.2方案比較與選擇方案一：采用濾波電路檢測微小信號(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)通道輸出的被測交流信號(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。2 電路設(shè)計(jì)1. 加法電路一、交流放大與噪聲的施加微弱信號(hào)通常被大幅值的噪聲信號(hào)淹沒，本項(xiàng)目中模擬產(chǎn)生一個(gè)微弱信號(hào)，并將其與噪聲疊加，圖 1 采用了同相加法電路，芯片選用OPA227P。噪聲源采用虛擬儀器Agilent 函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。設(shè)置將 Agilent 函數(shù)發(fā)生器的噪聲峰峰值設(shè)為 4V，信號(hào)源設(shè)為 200mV，頻率設(shè)為 1k Hz。示波器測量加法器的輸出，其輸出信號(hào)如圖2 所示。圖1同相加法電路圖2信號(hào)與噪聲疊加輸出波形2. 純電阻衰減電路本項(xiàng)目是微弱信號(hào)的檢測，所以需要將上述疊加有噪聲的信號(hào)用純電阻分壓衰減，衰減后的輸出信號(hào)，才是本項(xiàng)目要檢測的微弱信號(hào)。純電阻衰減倍數(shù)為=2/（200+2）=101，電路如圖3所示。圖3純電阻衰減電路3. INA128p放大電路INA128 是低功耗高精度的通用儀表放大器。用于純電阻衰減后的第一級(jí)，微弱信號(hào)檢測電路中，多級(jí)放大中的第一級(jí)放大倍數(shù)要高，而且必須為低噪聲運(yùn)放。這樣放大電路產(chǎn)生的噪聲才低。本設(shè)計(jì)中放大倍數(shù)設(shè)計(jì)的是，當(dāng)Rg=250時(shí)，放大201倍，電路如圖4所示。圖4INA128放大電路4. 帶通濾波電路Mutism13.1軟件自帶有帶通電路設(shè)計(jì)功能，在帶通濾波電路中，由一個(gè)二階低通濾波器和一個(gè)二階高通濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，有源帶通濾波器選擇契比雪夫?yàn)V波器，低通截止頻率為200Hz，高通截止頻率7.5KHz，即帶寬為200-7.5kHz。生成電路如圖5所示。用波特儀觀察幅頻特性在1KHz處放大1倍，在200Hz和7.5Khz處衰減到0.707倍，衰減3dB。使用虛擬儀器波特測試儀幅頻特性如下圖 6 所示。圖5帶通濾波電路 圖6幅頻特性圖5. 直流放大電路直流放大電路采用反相放大，分別是2倍和20倍，為使得誤差小于5%，分別設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)B倍和10B倍放大。芯片采用OPA2227反相放大。電路圖如圖7所示，該設(shè)計(jì)中只用到了10B放大。圖7直流放大電路6. A倍和-A倍放大電路運(yùn)放選擇OPA2227P芯片做一倍反相放大1倍，為相敏檢測S2輸入與S1信號(hào)相差180的正弦信號(hào)。電路圖如圖8所示。圖8-A倍放大電路7. 乘法器相敏檢測電路相敏檢測器是鎖定放大器的關(guān)鍵部件，完成被測信號(hào)與參考信號(hào)的相乘運(yùn)算，即乘法器，實(shí)現(xiàn)頻譜的遷移，相敏檢測采用芯片選用CD4066，雙向模擬開關(guān)。當(dāng)參考信號(hào)為方波時(shí)，經(jīng)過相敏檢測后，電路圖如圖9所示。圖9 CD4066相敏檢測電路及輸出波形8. 參考通道中的放大電路放大電路在1B和10B處采用的反相放大，參考通道中也同樣需要反相，才能使波形相近，電路采用TL084IN做運(yùn)放，放大10倍。電路如圖10所示。圖10參考通道中的放大電路9. 移相電路參考通道中移相采用TL084IN運(yùn)放，要求，本系統(tǒng)采用的是0180移相。本電路在調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器后需關(guān)閉仿真后重新打開仿真才能看到移相的效果。電路圖如圖11所示。圖11 0180移相電路10. 參考通道中的方波驅(qū)動(dòng)參考通道中的方波驅(qū)動(dòng)采用OPA2277P運(yùn)放，電路圖如圖12所示，輸出波形如圖13所示。圖12參考通道中的方波驅(qū)動(dòng)圖13方波輸出波形11. 低通濾波電路低通電路作用起低通濾波作用。時(shí)間常數(shù)=RC=0.1s，根據(jù)f=1/2RC，越大，通頻帶寬度才會(huì)窄，抑制噪聲能力強(qiáng)。該電路中截止頻率為1Hz，輸出，=1電路如圖14所示。圖14低通濾波電路3 仿真分析1. 仿真分析檢測信號(hào)峰值0.05mV，頻率為1KHz時(shí)，直流放大倍數(shù)為1倍,各檢測點(diǎn)波形圖如下。（1）加法器和純電阻分壓后的輸出波形通道A波形為信號(hào)通過加法器的輸出波形，通道B為信號(hào)通過純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)后輸出波形。（2）A倍和-A倍放大電路通道A為-A倍放大，通道B為A倍放大。（3）參考通道的方波（4）IN1和S1信號(hào)經(jīng)波特圖相位相差約0（5）相敏檢測器輸出波形（CD4066輸出端波形）2. 無噪聲分析（1）低通濾波器輸出=0.1s 數(shù)據(jù)分析為0.50.8s后，數(shù)據(jù)達(dá)到平衡。（2）噪聲分析總噪聲功率為：（20倍放大）噪聲電壓為：0.44mV最小可檢測電壓：0.44mV3. 加入噪聲分析噪聲輸入峰峰值電壓為4V。（1）低通濾波器輸出（2）噪聲分析總噪聲功率為：（20倍放大）噪聲電壓為：0.44mV最小可檢測電壓：0.44mV4. 放大范圍分析無噪聲時(shí)，放大分析輸入幅值200mV 1Khz正弦信號(hào)，分析如下：理論：0.2V*（1/101）*201*20*（2/）=5.09V實(shí)際：5.02V相對誤差：1.39%以1KHz 200mV做信號(hào)源，測量輸出為5.09V，放大25.45倍。為保證系統(tǒng)放大誤差在5%以內(nèi)，經(jīng)測算該系統(tǒng)在無噪聲下，輸出放大范圍約為20450mV，無噪聲和有噪聲列出圖表如下：當(dāng)輸入信號(hào)為1KHz時(shí)不同的輸入信號(hào)得到的結(jié)果如下表：輸入信號(hào)峰值20mV（10B）50mV（10B）200mV（10B）400mV（10B）450mV（10B）低通輸出信號(hào)有效值和誤差（無噪聲）482mV（5.38%）1.24V（1.6%）5.02V（1.39%）10.03V（1.49%）10.87V（5.3%）低通輸出信號(hào)有效值（有噪聲）426mV1.05V5.01V9.34V10.10V同理：當(dāng)輸入信號(hào)為500H