微弱信號檢測裝置設(shè)計(jì)-鎖定放大器的設(shè)計(jì)

1、鎖定放大器的設(shè)計(jì)摘 要：根據(jù)要求，我們設(shè)計(jì)了基于鎖相放大的微弱信號檢測裝置。該裝置能夠?qū)?qiáng)噪聲背景下的微弱信號進(jìn)行有效的測量，擁有低輸入信噪比、寬輸入帶寬、測量較準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。該裝置由模擬信號疊加背景噪聲的加法器模塊、模擬信號衰減的純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)模塊、基于鎖相放大的微弱信號檢測電路模塊、基于msp430的幅值檢測顯示模塊共同組成。其中加法器由opa2134搭建，符合題目要求的輸出及帶寬；分壓網(wǎng)絡(luò)由純電阻搭建，簡單快捷，性價(jià)比較高；設(shè)備的核心鎖相放大器由opa2134搭建的前置放大器、前置濾波器、低通濾波器、移相器，op07與4052組成的開關(guān)型相敏檢測器，opa2340搭建的比較器構(gòu)成，完成了強(qiáng)

2、噪聲背景下的小信號相干檢測，準(zhǔn)確且穩(wěn)定；幅值檢測顯示模塊利用高性能msp430單片機(jī)內(nèi)置的高精度ad轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣并經(jīng)12864顯示，美觀大方。關(guān)鍵詞：微弱信號檢測；鎖相放大器；開關(guān)型相敏檢測器 ；msp430單片機(jī)目 錄一 方案選擇與論證31.1方案選擇與論證31.2 總體設(shè)計(jì)思想3二 理論分析與計(jì)算52.1加法器單元電路設(shè)計(jì)52.2純電阻單元電路設(shè)計(jì)52.3鎖相放大器電路設(shè)計(jì)61.前置放大與濾波器電路設(shè)計(jì)62.相敏檢測（鑒相器）電路設(shè)計(jì)73.參考信號電路設(shè)計(jì)84.低通濾波器92.4 msp430采樣與顯示10三 實(shí)物展示12四 測試方案與測試結(jié)果134.1 檢測儀器134.2 檢測方法與結(jié)

3、果13結(jié) 論15參考文獻(xiàn)16附錄17一 方案選擇與論證1.1 方案選擇與論證 從本題要求整體分析可知，設(shè)計(jì)的微弱信號檢測裝置的核心在微弱信號檢測電路，因此方案的選擇與論證重點(diǎn)考慮該部分電路：方案1：帶通濾波：濾波器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代信號處理的各個(gè)領(lǐng)域，如調(diào)制解調(diào)、檢測處理等等，濾波器包括低通、高通、帶通、帶阻。其中帶通濾波器適合于本題的小信號檢測。但是鑒于本題的極低信噪比，故要求濾波器擁有極高的q值，那是不可能實(shí)現(xiàn)的，故放棄此方案。 方案2：集成模擬乘法器：利用鎖相放大的原理對強(qiáng)噪聲背景下的小信號進(jìn)行相干檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的窄帶化處理，能有效的抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)對信號的檢測和跟蹤。鎖相放大器的核心器

4、件是相位敏感期器，利用模擬乘法器如mc1496實(shí)現(xiàn)鑒相，調(diào)試復(fù)雜，價(jià)格較高，且動(dòng)態(tài)范圍小，線性度較差，故放棄。 方案3：開關(guān)式乘法器：采用方案2的對小信號的檢測原理，即利用鎖相放大器對強(qiáng)噪聲背景下的小信號進(jìn)行相干檢測。但是其核心器件相位敏感期器由開關(guān)式乘法器搭建，具有價(jià)格低廉，基本無需調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為實(shí)用的相敏檢波器。方案選定：綜上，本設(shè)計(jì)采用方案3，即采用以開關(guān)式乘法器為核心的鎖相放大器搭建微弱信號檢測電路，對本題中的微弱信號進(jìn)行檢測。1.2 總體設(shè)計(jì)思路及框圖總體設(shè)計(jì)思路：首先正弦波信號源產(chǎn)生的信號與噪聲源經(jīng)opa2134搭建的加法器相加，保證了輸出精度及要求的1mhz帶寬；之后經(jīng)過

5、純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)衰減100倍，進(jìn)入微弱信號檢測電路；微弱信號檢測電路包括前置放大器，前置濾波器，鑒相器，低通濾波器以及由移相器和比較器構(gòu)成的參考通道，由opa2134、opa2340、lf317、op07、4052等芯片具體實(shí)現(xiàn)；最后的檢測及顯示電路由msp430的內(nèi)置ad及12864液晶共同實(shí)現(xiàn)?？傮w設(shè)計(jì)框圖：微弱信號檢測系統(tǒng)框圖鎖相放大器框圖二 理論分析與計(jì)算2.1 加法器單元電路設(shè)計(jì)同向加法器根據(jù)題目要求加法器的輸出u0 =ui1+ui2 ，ui1為正弦波信號，ui2為噪聲源信號，由同相加法器的輸出公式：經(jīng)過測試得r1=r2=r3=r4=10k.為滿足題目要求帶寬大于1mhz,于是選擇運(yùn)放

6、opa2134，其有效帶寬可達(dá)8mhz。2.2 純電阻單元電路設(shè)計(jì)衰減網(wǎng)絡(luò)純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)衰減系數(shù)a不低于100，a= (r1+r2) /r2。測試后電阻r1= 200k,r2=2k，a=1012.3 鎖相放大器電路設(shè)計(jì)鎖相放大器是以相干檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，利用參考信號頻率與輸入輸入信號頻率相關(guān)，與噪聲信號不相關(guān)，從而從較強(qiáng)的噪聲中提取出有用信號，使得測量精度大大提高。鎖相放大器設(shè)計(jì)分成四個(gè)模塊：前置放大與低通濾波、相敏檢測器（鑒相器）、參考通道（移相器與比較器）、低通濾波器。2.3.1前置放大和濾波器前置濾波器、放大器通過巴特沃斯低通濾波器的兩級放大使增益達(dá)到100倍，放大倍數(shù)分別都為10倍，（即

7、取k=10）；低通濾波的截止頻率fc2k,由巴特沃斯低通濾波器公式：k=1+r4/r3第一級：取標(biāo)準(zhǔn)值為c1=10nf，c2=1.01nf，r1=84.87k，r2=7.35k ，r3=2.5k, r4=22.5k。代入數(shù)據(jù)，r1=84.87k，r2=7.35k ，c1=10nf， c2=1.01nf，算出fc=2001.2hz,符合要求。代入 r3=2.5k, r4=22.5k.k=1+r4/r3=10，符合要求。第二級：取標(biāo)準(zhǔn)值為c1=10nf， c2=1.01nf，r1=190.21k，r2=3.05k，r3=2.5k, r4=22.5k。2.3.2 鑒相器電路設(shè)計(jì)開關(guān)型鑒相器相敏檢測器

8、是由乘法器和積分器組成，其中乘法器一般采用開關(guān)乘法器，積分器通常由低通濾波器組成，下圖給出相敏檢測器的構(gòu)成原理圖。相敏檢測器原理圖理論基礎(chǔ)：設(shè)待測信號，其中為待測信號中的有效信號，n為噪聲。參考信號，則經(jīng)乘法器的輸出信號為，積分器的輸出信號為：=上式中、分別是待測有效信號與參考信號及參考信號與噪聲之間的相關(guān)函數(shù)，對于項(xiàng)，由于噪聲的頻率和相位都是隨機(jī)量，可以認(rèn)為參考信號與噪聲互相獨(dú)立，它的相關(guān)函數(shù)為零：即經(jīng)過長時(shí)間的積分，項(xiàng)為零，實(shí)際上積分時(shí)間不可能無限長，也就是說實(shí)際計(jì)算中不可能為零，它表現(xiàn)為剩余噪聲，但噪聲對測量結(jié)果的影響已經(jīng)大大降低，對于項(xiàng)為：=由上式可知，積分內(nèi)的兩項(xiàng)是待測有效信號與參考

9、信號的和頻及差頻相關(guān)，當(dāng)時(shí)，且噪聲相關(guān)函數(shù)為零時(shí)，積分器輸出的信號可表示為：式中k為低通濾波器的傳遞系數(shù)，為待測信號與參考信號的相位差，當(dāng)待測信號與參考信號同頻率時(shí)，相敏檢測器輸出的信號與待測有效信號的幅度有關(guān)，也與待測信號與參考信號的相位差有關(guān)，調(diào)整參考信號的相位，當(dāng)=時(shí)，相敏檢測器的輸出信號與待測信號的幅度成正比?？傊捎谳斎胄盘栔械脑肼暸c參考信號不相關(guān)，經(jīng)積分器積分后，噪聲得到了很好的抑制，而有效信號得到了放大，從而提高了測量的精度和信噪比。 2.3.3 參考信號電路設(shè)計(jì) 參考信號電路由移相器和比較器組成。移相器在本部分的設(shè)計(jì)中要求參考信號的相移是0360，通過用一個(gè)運(yùn)放和電阻電容的連

10、接可以實(shí)現(xiàn)相角180的變化，采用兩個(gè)運(yùn)放級聯(lián)的方式使相位可以在360范圍內(nèi)變化。由于opa2134有兩個(gè)通道，所以在本設(shè)計(jì)中采用opa2134的兩個(gè)通道通過級聯(lián)達(dá)到要求。其中：r3=r4=r5=r6=10k， c2=c31uf，滑動(dòng)變阻器的最大阻值為10k，運(yùn)放采用的是一片opa2134。比較器經(jīng)移相后參考信號與待檢測小信號同相，將參考信號整形后驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)待測信號的相關(guān)運(yùn)算。其中：r1=5k，r2=5k，運(yùn)放采用的是一片opa2340。2.3.4 低通濾波器低通濾波器對信號進(jìn)行最后一步處理，低通濾波的同時(shí)對信號幅度進(jìn)行改善，調(diào)節(jié)增益使之與源信號幅度一致。即使f=100hz,k=2。根據(jù)低

11、通濾波器的公式：k=1+r4/r3。當(dāng)r1=r2=r,c1=c2=c時(shí)，wc=1/rc,設(shè)計(jì)值為：r1=r2=5k, r3=r4=10k, c1=c2=470nf。符合要求。2.4 msp430采樣與顯示處理信號通過msp430的ad采樣處理之后用lcd顯示幅度。結(jié)構(gòu)框圖程序流程圖三、實(shí)物實(shí)物展示實(shí)物測量四、測試方案與測試結(jié)果4.1 測試儀器：序號儀器數(shù)量1多功能函數(shù)信號發(fā)生器 sg1646a12播放噪聲的mp3 1360mhz普通示波器（雙通道，外觸發(fā)輸入，有x軸輸入，可選帶z軸輸入） tds-2002 14電源 df173115四位半數(shù)字萬用表 model mf 4714.2 調(diào)試方法與結(jié)

12、果：信號源分別產(chǎn)生頻率為2khz、1khz、500hz，幅度為2.0v、1.0v、660mv、200mv、50mv的正弦信號，利用示波器觀測各點(diǎn)波形并記錄液晶顯示數(shù)值。輸入信號2khz輸入信號輸出信號幅度頻率幅度2.0v2khz2.02v1.0v2khz1.01 v660mv2khz662mv200mv2khz202mv50mv2khz51mv輸入信號1khz輸入信號輸出信號幅度頻率幅度2.0v1khz2.03v1.0v1khz1.03 v660mv1khz661mv200mv1khz201mv50mv1khz50mv輸入信號500hz輸入信號輸出信號幅度頻率幅度2.0v2khz2.03v1.

13、0v2khz1.01 v660mv2khz662mv200mv2khz200mv50mv2khz51mv結(jié)果分析：經(jīng)過測試可得輸出與輸入電壓幅值比較吻合，達(dá)到了比較穩(wěn)定的狀態(tài)。基本的放大信號及抑制噪聲的功能已經(jīng)具備。最終的直流輸出與信號幅值成正比關(guān)系，符合預(yù)期，但是就精確度而言還有很長的路要走。受器件參數(shù)、環(huán)境溫度、電磁干擾等等眾多因素的影響，實(shí)際的系數(shù)總是需要臨時(shí)調(diào)整。總之，即使噪聲信號比有用的信號大很多，只要知道有用信號的頻率值，鎖相放大器就能較為準(zhǔn)確地測量出這個(gè)信號的幅值的要求還是可以實(shí)現(xiàn)的。結(jié)論經(jīng)過2012遼寧省電子設(shè)計(jì)競賽a題微弱信號檢測裝置的設(shè)計(jì)，深刻理解了小信號對于現(xiàn)代科技的重要

14、性及鎖相放大器對其的完美放大能力。鎖相放大器實(shí)際上就像是一個(gè)高q的帶通濾波器，只有和參考信號相同頻率的信號才可以通過鎖相放大器，并輸出與輸入信號及參考信號幅值相關(guān)的直流。本設(shè)計(jì)中，我們的方案論證從成本，實(shí)現(xiàn)難易程度等角度出發(fā)，認(rèn)真選擇最適合這次設(shè)計(jì)的芯片及元器件。由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，成功的將微小信號的放大。受器件參數(shù)、環(huán)境溫度、電磁干擾等等眾多因素的影響，實(shí)際的系數(shù)總是需要臨時(shí)調(diào)整，擁有符合理論的趨勢，但是線性關(guān)系有微小畸變。總之，即使噪聲信號比有用的信號大很多，只要知道有用信號的頻率值，鎖相放大器就能較為準(zhǔn)確地測量出這個(gè)信號的幅值的要求還是可以實(shí)現(xiàn)

15、的。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中我學(xué)到了踏實(shí)的態(tài)度和心態(tài)，明白了做學(xué)問要一絲不茍，對于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，同時(shí)要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅(jiān)持下去就可以嘗到成功的喜悅。參考文獻(xiàn)1 王衛(wèi)東.模擬電子電路基礎(chǔ)，西安電子科技大學(xué)出版社，2003.2 熊發(fā)明.新編電子電路與信號課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，國防工業(yè)出版社，2007. 3 美richard g. lyons.understanding digital signal processing.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.4 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試（第三版）.華中科技大學(xué)出版社，2006.5 陳思.巴特沃斯低通濾

16、波器的簡化快速設(shè)計(jì). 信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 1977. 附錄*main.c*/* * main.c */#include#include lcd12864.h#define numad 64#define delaytime 200 /計(jì)數(shù)變量long int ad_result=0; /ad的采樣值uint ave; /ad的平均值uint voltage;char m=0;void clk_init(void)bcsctl1 |=calbc1_1mhz;dcoctl |= caldco_1mhz;/上兩句是將內(nèi)部的dco校準(zhǔn)致1mhzifg1 &= ofifg; / clear oscfau

17、lt flagbcsctl2 |= selm_0;/mclk采用1m的內(nèi)部dcobcsctl2 |= divs_0;/smclk采用內(nèi)部的時(shí)鐘void gpio_config(void) /i/o口配置p1sel &= (bit1+bit2);p1dir|=bit1+bit2; /p1.1(sid)和p1.2(sclk)輸出void ad_init(void)ave=0;voltage=0;ad_result=0;adc10ctl0 |= sref_1+ref2_5v+refon+adc10ie;/將ad10基準(zhǔn)設(shè)置為2.5v 開啟ad允許中斷adc10ctl0 |= adc10sht_3+m

18、sc;/打開ad轉(zhuǎn)換，過采樣率設(shè)置為64個(gè)采樣周期adc10ctl1 |= adc10ssel_3+shs_0;/選擇250k的采樣時(shí)鐘，用adc10sc觸發(fā)采集adc10ctl1 |= conseq_0+inch_0;/連續(xù)采樣模式，adc10ctl0 |= adc10on;void configtimera2(void)cctl0 = ccie; / ccr0 interrupt enabled this bit enables the interrupt request of the corresponding ccifg flag.ccr0 = delaytime; / 時(shí)間間隔設(shè)置部

19、分tactl = tassel_2 + mc_2+id_0; / smclk, continuous mode,無分頻void main(void)wdtctl = wdtpw + wdthold; / stop watch dog timerclk_init();configtimera2();gpio_config(); ad_init(); init_lcd (); _eint(); while(1);#pragma vector=adc10_vector /ad中斷及其服務(wù)子程序_interrupt void adc10_isr (void)adc10ctl0 &= enc; / di

20、sable adc conversionadc10ctl0 &= adc10sc;m+;ad_result+=adc10mem;if(m=numad)m=0;ave=ad_result6;ad_result=0;voltage=(long int)ave*2500)/1024;lcd_display(voltage);#pragma vector=timer0_a0_vector /主計(jì)數(shù)器獨(dú)占一個(gè)中斷源_interrupt void timer_a (void)adc10ctl0 |= adc10sc+enc; /開始ad轉(zhuǎn)換*lcd12864.c*/* * lcd12864.c * * c

21、reated on: 2012-8-7 * author: sanzer */#include#include lcd12864.h#define comm 0 /comm代表命令#define dat 1 /dat代表數(shù)據(jù)#define lcd_sid_set p1out|=bit1#define lcd_sid_reset p1out&=bit1#define lcd_sclk_set p1out|=bit2#define lcd_sclk_reset p1out&=bit2void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content);const uchar dis

22、play=當(dāng)前電壓是: /顯示的物理量0123456789 /顯示的數(shù)值mv /顯示的物理量的單位; /本項(xiàng)目液晶顯示內(nèi)容void init_lcd (void) /lcd_rst_set; wr_lcd (comm,0x30); /30-基本指令動(dòng)作 wr_lcd (comm,0x01); /清屏，地址指針指向00h delay (100); /執(zhí)行時(shí)間：100ms wr_lcd (comm,0x06); /光標(biāo)的移動(dòng)方向:顯示向右移動(dòng)，游標(biāo)跟著移動(dòng) wr_lcd (comm,0x0c); /開顯示，關(guān)游標(biāo)void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)

23、uchar a,i,j; delay (2); a=content; /要寫入的內(nèi)容/ lcd_sclk_reset; lcd_sid_set; /數(shù)據(jù)操作 for(i=0;i5;i+) /延時(shí) lcd_sclk_set; lcd_sclk_reset; lcd_sid_reset; /寫數(shù)據(jù) lcd_sclk_set; lcd_sclk_reset; if(dat_comm) /dat_comm=0,寫命令；dat_comm=1寫數(shù)據(jù) lcd_sid_set; /data else lcd_sid_reset; /command lcd_sclk_set; /時(shí)鐘上升沿，數(shù)據(jù)寫入 lcd_s

24、clk_reset; lcd_sid_reset; /寫數(shù)據(jù) lcd_sclk_set; lcd_sclk_reset; for(j=0;j2;j+) for(i=0;i4;i+) if(a&0x80)=0x80) /判斷該位是0還是1 lcd_sid_set; else lcd_sid_reset; lcd_sclk_set; lcd_sclk_reset; a=a1; /輸出一位，左移一位，1幀8位的數(shù)據(jù)移位8次 lcd_sid_reset; for(i=0;i4;i+) /延時(shí) lcd_sid_reset; lcd_sclk_set; lcd_sclk_reset; void lcd_display(uint value) uchar i,gewei ,shiwei ,baiwei ,qianwei ; /*轉(zhuǎn)速值分離*/ gewei=value%10; /個(gè)位 shiwei=value/10%10; /十位 baiwei=value/100%10; /百位 qian