强噪声背景下微弱信号检测装置一种可行性方案探究

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1、强嗓声背景下微弱信号检测装置一种可行性方案探究摘要：在测量微弱信号被掩盖在强噪声中的信号时，锁相放大器(Lock-inAmplifier,LIA)表现出了良好的性能。但是由于其本生存在中心频率不稳定、带宽不能太窄及对信号缺乏跟踪能力等缺点，造成对测量微弱信号的限制。对锁相放大器进行一些分析的基础上，设计出一个双相位锁相放大器(DualPhraseLock-inAmplifier),并用Pspice/OrCAD进行了实验性的论证。结果表明该放大器可以实现微伏(V)级别的信号识别，噪声信号的均方根值约为lmV,幅值识别准确率在0.5%以内。

2、关键词：Pspice/OrCAD双相位锁相放大器微弱信号信号检测分类号：TN722文献标识码：A文章编号：1007-3973(2013)004-100-021引百信息时代需要获取信息，许多科学研究和工程技术的信息需要用检测的方法来获取。当被测信号非常微弱时，易被噪声淹没，对它们的检测往往变得十分困难。随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，微弱信号检测是发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要意义。微弱信号的检测已经有很多成熟的方法，在时域方面如相关检测、小波分析、取样分析等；在频域方面

3、如频谱分析等。这些方法在某些方面具有一定的局限性，主要表现在门限较低（-10dB左右）、测量精度不高等问题。本文针对以上问题，设计出了一个双相位锁相放大器，方法实用，测量方便。2锁相放大原理2.1单相位锁相放大器原理锁相放大器是把被测量信号通过频率变换的方式转变为直流，包括一个乘法器和低通滤波器（LPF）。一般来说，需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0令Y输入到PSD。上述的锁相放大器，称为单相位锁相放大器，为了能够正常测量振幅和相位，需要有能够调节相位的移相电路。对于参照信号和被测量之间有相位差的电路，将不能准确测量出信号的

4、幅值。2.2双相位锁相放大器原理如果将参照信号相移90令9用两个PSD,这时就可以不需要移相电路将参照信号和被测信号的相位差消除。通过理论可以证明此时从LPF输出电压的幅值和两路信号的相位差没有关系。移相之前的参考信号:移相之后的参考信号：第一路滤波之前的输出信号：上式表明，PSD输出分成两个部分，前者为被测量信号与参考信号的差频分量，后者为被测量信号与参考信号的和频分量。当被测量信号和参考信号的频率相等时，即fl=f2,差频分量为零，这时差频分量变成PSD直流分量，而和频分量变成变频。即由原来以fl为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心

5、的两个频谱，再经过低通滤波器去除了和频分量。在经过LPF的第一路输出信号为：U10=Rcos,其中R=，=1-2；在经过LPF的第二路输出信号为：U20=Rsin，其中R=,=1-2O再对两路输出信号进行三角函数运算，便可以得到与相位差无关的直流信号：将得到的R经过A/D转换，便可以直接读取数据。3双相位锁相放大器的设计被噪声掩盖的信号可以经过一个八阶带通滤波器（滤波器的中心频率即为被测信号的频率），在经过滤波器后再经过放大器可以近似恢复被测量信号的原貌。下面就是最为关键的一步，即把得到的正交信号分别与滤波放大后的信号相乘，再经过低通滤

6、波器，可以得到两路直流信号，其幅值分别为Rcos和Rsin。将两路信号做平方和运算再开根号，即可得到与输入信号有效值成正比的直流信号。波形如图1所示。在经过大约70ms的时间，幅度稳定在一个直流电平上，此时读出该幅值读数即可确定被测量信号的幅值。被噪声掩盖的小信号成功被还原出来。4测试结果分析对相同的噪声中加入不同幅值的1kHz正弦波信号，经多组测量后的结果表示在输入正弦波在10mV以内，相对误差可以控制在1%以内。可以看出，该电路是一种实时性好、精确度高、稳定性好的测量电路。5结束语锁相放大电路在微弱信号检测中有着机器重要的地位，它将

7、被测量的信号从噪声中提取出来，变为直流信号。此思路不论是在工业设计或是通讯系统中，都有应用价值。参考文献：[1]高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2004：1-2.[2]StanfordResearchSystems.AboutLock-inAmplifiers,http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/ApplicationNotes/AboutLIAs.pdf.[1]施风容.锁相放大器的设计[J].湖南工业职业技术学院学报，2007(3)：5-7.