大學生電子設計競賽

1、2012年遼寧省大學生電子設計競賽微弱信號檢測裝置（a題）2012年8月5日摘要微弱信號檢測裝置是用以檢測在強噪聲背景下微弱正弦波信號的幅值，并數(shù)字顯示出該幅度值的裝置。本設計首先將給定的噪聲文件通過通過mp3或手機播放，由音頻輸出線輸出音頻電壓信號，此音頻電壓信號由ti公司的音頻放大器opa2134進行幅度的調整輸出噪聲信號vn，可以達到1v0.1v的要求。正弦波信號源vs由函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生，采用ti公司的高精度運算放大器構建加法電路實現(xiàn)vc =vs+vn。采用精密電阻構建電阻分壓網(wǎng)絡以實現(xiàn)100倍的幅度衰減。經(jīng)上述處理產(chǎn)生了帶有噪聲的微弱信號vc，并且噪聲的頻帶覆蓋了有用信號的頻帶。帶有

2、噪聲的微弱信號vc先經(jīng)儀用放大器ad620進行前置放大，然后經(jīng)低通濾波器和高通濾波器濾除2.1khz以上和400hz以下的噪聲信號，再經(jīng)opa2227進行二次放大，使得待測信號的噪聲得到抑制。為了剝離噪聲，采用了鎖相相關技術和取樣積分方法。采用原始的正弦信號vs作為參考信號，此參考信號經(jīng)運放阻抗隔離后進行濾波，為達到與待測信號vc同相，參考信號的濾波與待測信號的濾波電路一致。濾波后的參考信號經(jīng)比較器后得到與待測信號同頻同相的。待測信號與參考方波信號經(jīng)cd4066后變?yōu)榘氩ㄐ盘?，在?jīng)積分環(huán)節(jié)可得到與峰值有關的直流信號。最后由msp430單片機內部的a/d進行采樣與數(shù)據(jù)處理，最后依據(jù)經(jīng)實驗測試得到

3、輸出結果與待測值的比例系數(shù)，可以求出正弦信號的峰值。關鍵詞:微弱信號檢測；峰峰值；均方根值；鎖相放大；取樣積分；目錄摘要2abstract2目錄3第一章 系統(tǒng)方案11.1 噪聲信號調整部分的論證與選擇11.2微弱信號檢測部分的論證與選擇1第二章 單元電路的理論分析與設計22.1噪聲信號調整電路的理論分析與設計22.2 加法電路的理論分析與設計22.3 純電阻分壓網(wǎng)絡的理論分析與設計32.4 檢測信號電路的理論分析與設計32.4.1 前置放大電路的分析與設計42.4.2帶通濾波電路的分析與設計4第三章 軟件部分設計63.1程序功能描述與設計思路63.2程序流程圖6第四章 系統(tǒng)測試與仿真74.1

4、硬件測試74.2 軟件仿真測試74.3 測試結果及分析74.3.1測試結果(數(shù)據(jù))74.3.2測試分析與結論7第五章 設計總結8參考文獻9附錄1：電路原理圖10附錄2：源程序11 第1章 系統(tǒng)方案本設計的任務是完成ti大賽的a組競賽題。要求設計并制作一套微弱信號檢測裝置，用以檢測在強噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號的幅度值，并數(shù)字顯示出該幅度值。系統(tǒng)由微弱信號生成模塊、微弱信號檢測電路模塊、msp430及顯示電路模塊組成，其中微弱信號生成模塊由噪聲信號生成電路、加法電路、純電阻分壓網(wǎng)絡組成，如圖1.1所示。正弦波信號源微弱信號檢測電路噪聲信號生成模塊vs vn vc vo 純電阻分壓網(wǎng)絡ms

5、p430及顯示電路加法器vi a b c d e 圖1.1系統(tǒng)總體結構圖圖1.1中的正弦波信號源vs由函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生，信號的頻率在500hz 2khz范圍內，峰峰值在20mv 2v范圍內。噪聲vn由給定的噪聲文件通過通過mp3或手機播放，通過一定的音頻接收電路產(chǎn)生，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)絡的衰減系數(shù)不低于100。可見，經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡后的信號為帶有噪聲的微弱信號（25mv以下）。因此設計的重點為微弱信號檢測模塊的設計。微弱信號檢測電路要求采用模擬方法來實現(xiàn)。常用的微弱信號檢測方法有：濾波，鎖相放大，取樣積分等。下面

6、介紹下面介紹各模塊的設計方案。1.1 微弱信號生成模塊設計方案1.1.1噪聲信號生成電路設計方案噪聲信號由給定的噪聲文件通過通過mp3或手機播放，由音頻輸出線輸出音頻電壓信號，經(jīng)測量，原始的噪聲信號頻率范圍為020khz，幅度為50毫伏以下。為使得輸出的噪聲信號vn達到均方根值1v0.1v的要求，需要設計放大電路進行幅度的調整。方案一：采用ti公司的lm324a通用四運放構成同相比例放大電路，來對噪聲信號電壓進行放大。lm324a具有低功耗，價格低等優(yōu)點，帶寬為（1.2mhz），適用場合比較多，可以作為音頻放大器用。但其并非專用的音頻放大器，音質較差，在對噪聲信號電壓放大時有可能使信號的輸出失

7、真。方案二：采用ti公司的opa2134音頻放大器來提高噪聲信號的電壓，構成噪聲信號調整電路。因其具有超低失真，低噪聲，高帶寬（8mhz），高精度等優(yōu)點，可以在不失真的情況下輸出噪聲，并達到提高電壓目的。綜合以上兩種方案，選擇方案二。1.1.2 加法器電路設計方案設計要求構建加法電路實現(xiàn)vc =vs+vn，vn的峰峰值為20mv 2v，vn的均方根值為1v0.1v，相加后信號幅度小于2.5v，但要求vc帶寬大于1mhz，因此應選用寬頻帶的放大器。經(jīng)選擇采用ti公司的低噪、高精密運算放大器opa2227。1.1.3 純電阻分壓網(wǎng)絡設計方案 設計要求純電阻分壓網(wǎng)絡對vc進行不低于100的衰減。擬采

8、用精密電阻構建電阻分壓網(wǎng)絡，實現(xiàn)信號衰減。1.2微弱信號檢測模塊設計方案1.2.1 采用微弱信號檢測方法“微弱信號不僅意味著信號的幅度小，而且主要指的是被噪聲淹沒的信號，“微弱”是相對于噪聲而言的。微弱信號檢測技術不同于一般的檢測技術，它注重的不是傳感器的物理模型和傳感原理、相應的信號轉換電路和儀表實現(xiàn)方法，而是如何抑制噪聲和提高信噪比，以便從強噪聲中檢測出有用的微弱信號。由于被測量的信號微弱，傳感器、放大電路和測量儀器的固有噪聲以及外界的干擾噪聲往往比有用信號的幅度大的多，放大被測信號的同時也放大了噪聲，而且必然會附加一些額外的噪聲，例如放大器的內部固有噪聲和各種外部干擾的影響，因此只靠放大

9、是不能把微弱信號檢測出來的。只有在有效地抑制噪聲的條件下增大微弱信號的幅度，才能提取出有用的信號。本設計的微弱信號檢測電路要求采用模擬方法來實現(xiàn)。常用的微弱信號檢測方法有選頻放大、濾波，鎖相放大，取樣積分等。在測量中，噪聲是一種不希望的擾亂信號，它是限制和影響測量儀器的靈敏度的白噪聲和1f噪聲的低頻噪聲。這些噪聲是無法用屏蔽等措施消除的。為了減少噪聲對有用信號的影響，常用窄帶濾波器濾除帶外噪聲，以提高信號的信噪比。但是，由于一般濾波器的中心頻率不穩(wěn)，而且?guī)捄椭行念l率以及濾波器的q值有關等原因，使它不滿足更高的濾除噪聲之要求。選頻放大技術是使放大器的中心頻率f 0與待測信號頻率相同，從而對噪聲

10、進行抑制，但此法存在中心頻度不穩(wěn)、帶寬不能太窄及對等測信號缺點。鎖相放大技術利用待測信號和參與信號的互相關檢測原理實現(xiàn)對信號的窄帶化處理，能有效的抑制噪聲，實現(xiàn)對信號的檢測和跟蹤。根據(jù)相關原理，通過乘法器和積分器串聯(lián)，進行相關運算，除去噪聲干擾，實現(xiàn)相敏檢波，鎖相放大器采用互相關接受技術使儀器抑制噪聲的性能提高了好幾個數(shù)量級。目前，鎖相放大技術已廣泛地用于物理、化學、生物、電訊、醫(yī)學等領域。1.2.2 本設計的微弱信號檢測總體方案本設計采用鎖相放大技術并結合前置放大、濾波、鎖相相關、采樣積分方法實現(xiàn)待測小信號的檢測，結構圖如圖1.2所示。帶有噪聲的微弱信號vc經(jīng)前置放大電路抑制噪聲，并達到輸入

11、阻抗ri1 mw；然后帶通濾波電路進一步濾除噪聲，再由后面的放大電路進行信號二次放大。參考信號取至正弦波信號源vs，經(jīng)帶通濾波實現(xiàn)與待測信號同相位（因為信號通道的帶通濾波電路產(chǎn)生了相位偏移，為保證信號在乘法器中同頻同相相關，因此設置與信號通道一樣的濾波電路）。濾波后的參考信號經(jīng)電壓比較器變成與待測信號同頻同相的方波信號，作為乘法器的控制信號。這樣乘法器輸出的信號已經(jīng)濾除了與待測信號不同頻的噪聲信號。待測信號與參考方波信號經(jīng)乘法器后變?yōu)榘氩ㄐ盘?，再?jīng)積分環(huán)節(jié)可得到與峰值有關的直流信號。信號通道開關乘法器取樣積分電路放大電路帶通濾波電路前置放大電路電壓比較器帶通濾波電路隔離放大電路低通濾波電路信號

12、放大電路參考信號通道m(xù)sp430及顯示模塊圖1.2微弱信號檢測模塊總體結構1.2.3 前置放大電路設計方案 考慮到系統(tǒng)所要處理的信號比較微弱，而且對波形要求比較高，要求具有高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲、低溫漂、非線性度小，合適的頻帶和動態(tài)范圍。所以要采用儀表類放大器來完成電路的設計方案一：采用burr-brown公司的程控儀表放大器pga202組成前置放大電路。其優(yōu)點是內部集成了程控的增益改變邏輯電路，由于省去了增益控制部分，利用pga202搭建起來的電路得到了很大的簡化。而且噪聲與溫漂都很低，放大倍數(shù)穩(wěn)定。但由于pga202的對稱性較差，在使用時必需加入前級差分放大，這樣就降低了電路的共

13、模抑制比，這對減少放大器對電路的干擾是不利的。方案二：采用ti公司的儀用放大器ad620構成儀用放大器電路。ad620內部集成了儀表放大器的主要結構，有良好的對稱性，具有很高的共模抑制比和輸入電阻，能滿足系統(tǒng)要求的ri 1m。同時ad620具有低噪聲，低溫漂等優(yōu)點。綜合考慮采用方案二。1.2.3 帶通濾波電路設計方案 采用先低通再帶通的設計方案。采用巴特沃斯性濾波器。1.2.4相敏檢波器的方法比較與選擇信號通道參考信號通道待測信號參考信號相關器 圖1.3 鎖相放大器原理框圖為了大幅度提高檢測下限和測量靈敏度，不僅要減少測量系統(tǒng)的噪聲，而且要能從噪聲中提取信號，故采用的新思路，進行相干檢測。常用

14、的相敏檢波器的方法有：方案一：集成模擬乘法器：模擬乘法器調試復雜，價格較高，且要求保證動態(tài)范圍大，線性好等，較難實現(xiàn)；方案二：開關式乘法器：開關式乘法器具有價格低廉，基本無需調試等優(yōu)點，是一種較為實用的相敏檢波器。 兩者比較起來，由于后者具有價格低廉，基本無需調試等優(yōu)點，所以本設計中采用開關式乘法器。第二章 單元電路的理論分析與設計2.1噪聲信號調整電路的理論分析與設計 已知噪聲頻帶范圍為020khz，噪聲信號的均方根值為040mv。要求噪聲源輸出vn均方根電壓值固定為1v0.1v。因此噪聲放大倍數(shù)應滿足k25?，F(xiàn)采用opa2134組成同相放大器，其放大倍數(shù)為： 系統(tǒng)電路圖如圖2.1所示：圖2

15、.1 系統(tǒng)電路原理圖2.2 加法電路的理論分析與設計 系統(tǒng)要求vc=vs+vn ，帶寬大于1mhz。采用1片opa2227組成加法器，前一級為放大倍數(shù)為1的反向加法電路，后一級為放大倍數(shù)為1的反向跟隨電路。這樣就能保證輸出信號與輸入信號同相。opa2227引腳如圖2.2.1所示：加法部分的電路圖如圖2.2所示：圖2.2 系統(tǒng)電路原理圖2.3 純電阻分壓網(wǎng)絡的理論分析與設計 為實現(xiàn)分壓網(wǎng)絡的衰減系數(shù)不低于100，系統(tǒng)在加法器輸出端串聯(lián)兩個電阻r12 、r13 。如圖2.3.1所示，為了方便計算，將r12 取值為9.9k, r13 取值為100，這樣得到的vi剛好衰減100倍。此時輸出的vi 值為

16、： 圖2.3 系統(tǒng)電路原理圖2.4 微弱檢測信號電路的理論分析與設計 檢測信號電路的整體框圖如圖2.4所示：vi儀用放大電路帶通濾波器乘法器vsk=1運放電壓比較器圖2.4 系統(tǒng)電路原理圖2.4.1 前置放大電路的分析與設計 ad620引腳圖與內部結構如圖2.4.1（a）所示，其中引腳1與引腳8之間可以接可調電阻rx ,可以通過調整rx 的大小來調節(jié)ad620的增益值。rx 選擇20k的可調電阻。2引腳接弱信號vi ，將5引腳接地，6即為輸出對地電壓。電路如圖2.4.2所示， 圖2.4.1 （a） 系統(tǒng)電路原理圖圖2.4.1（b） 系統(tǒng)電路原理圖2.4.2帶通濾波電路的分析與設計 電路組成原理

17、由圖2.4.2（a）所示，帶通濾波電路的幅頻響應與高通、低通濾波電路的幅頻響應進行比較，不難發(fā)現(xiàn)低通與高通濾波電路相串聯(lián)可以構成帶通濾波電路。條件是低通濾波電路的截止頻率h 大于高通濾波電路的截止頻率l，兩者覆蓋的帶通就提供了一個帶通響應。 低通高通vovi 低通 高通帶通圖2.4.2（a） 系統(tǒng)電路原理圖低通濾波器的電路圖如圖2.4.2（b）所示。具體電路中電阻電容的參數(shù)計算方法如下：根據(jù)設計要求可知 ，若 則： 可以計算得出: 式中 取的值為,則由公式 可以計算出 ,取,代入式 與 可得 ，。圖2.4.2（b） 系統(tǒng)電路原理圖高通濾波器的電路圖如圖2.4.2（c）所示，電路的元件參數(shù)計算方

18、法如下：首先令。則： 所以有傳遞函數(shù)表達式為 式中， 式中 ，則根據(jù) 可得 ,取 ,將與的值代入式 與 計算可得 , 。圖2.4.2（c）系統(tǒng)電路原理圖2.4.3 電壓比較電路的理論分析與設計由于參考信號是從輸入端直接引出，為了防止比較器對前端輸入的正弦信號產(chǎn)生干擾，在比較器的前端加一級運算放大器，放大器的增益為1倍。電壓比較器模塊電路圖如圖2.4.3（a）所示圖2.4.3（a） 系統(tǒng)電路原理圖第三章 軟件部分設計3.1程序功能描述與設計思路 1、程序功能描述 根據(jù)題目的要求，軟件部分主要實現(xiàn)顯示功能。顯示部分主要顯示出正弦波的峰值。2、程序設計思路單片機控制積分采樣系統(tǒng)對微弱正弦波信號采樣，并將采集到的模擬信號送入a/d轉器處理得到數(shù)字量（即峰值），最后控制液晶顯示器輸出改峰值。3.2程序流程圖系統(tǒng)的程序流程圖如圖3.2所示：開始數(shù)據(jù)轉換處理顯示正弦波峰值msp430初始化正弦波信號采集 結束圖3.2 系統(tǒng)電路原理圖第四章 系統(tǒng)測試與仿真4.1 硬件測試4.2 軟件仿真測試加法器的頻率響應如圖4.2.1（a）所示4.3 測