【研究报告】微弱信号检测装置设计.doc

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1、微弱信号检测装置设计摘要本系统基于锁相放大原理,检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦信号的峰值。本系统由精密加法器，纯电阻衰减器，前置放人器，相敏检波器，低通滤波器等结构组成。采用增益为1的精密低噪声音频差分接收器INA2134做高精度加法器，用精密低噪声运放OPA2227对微弱信号放大，利用高精度平衡调制解调器AD630做相敏检波器。整个系统选用低噪声元器件，采用合理布线，电源滤波，供电接地等措施尽量降低系统噪声以及干扰，实现了检测微弱信号的功能,完成了基木指标及部分扩展指标。关键词：锁相放大，锁相环跟踪技术，微弱信号检测，低噪声系统方案设计与论证1

2、.加法器设计方案一：利用一般集成运放芯片外接电阻构成负反馈回路实现比例放人，通过反相相加或同相相加实现信号的叠加。由于外接电阻精度不够，以及-•般运放噪声性能不够好，加法器的精度做不高。方案二：采用增益为1的精密低噪声音频差分接收器INA2134做高精度加法器，由于芯片己经集成高精度电阻，不需外接电阻，因此加法器精度很高，芯片本身为低噪声音频运放。二者比较，选用方案二。2.方案一：直接串联电阻分压衰减100倍。方案二：采取JT型电阻网络，采用两级衰减，每级为20dB的衰减量，两级衰减40dBo方案二有标准计算公式，衰减效果良好，采用两级衰减。3.参考信

3、号的产生方案一：通过单片机控制MAXO38产生一定频率范围的方波信号。方案二：通过NE555定吋器构成多谐振荡器,产生方波参考信号。方案三：通过单片机控制DDS产生频率和相位可调的方波信号。三者比较起来，由于单片机控制DDS产生的方波信号，频率和相位可调，电路灵活性大，便于识别频率变化的输入正弦波信号，因此选用方案三来作为产生参考信号的波形发生器。4.相敏检波器选取方案一：采用集成模拟乘法器：模拟乘法器调试复杂，价格较高，且要求保证动态范围大，线性好等，较难实现。方案二：开关式乘法器：开关式乘法器具有价格低廉，基木无需调试等优点,是一种较为实用的相敏检

4、波器。两者比较起来，由于后者具有价格低廉，基本无需调试等优点，所以本设计屮采用开关式乘法器。二、理论分析和计算1.相关检测技术利用信号的周期性和噪声的随机性的差别，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的一种技术。相敏检波器通过把输入信号与参考信号相乘再积分的办法，抑制各种噪声和干扰，提取信号屮与参考信号相关的成分，把它还原成传感器输出的被测信号。设信号输入为：X⑴=Vscos（0/+0）Jrr参考信号厂⑴是幅度为土以的方波，周期为T,角频率竺。如图1所示:»€7根据傅立叶分析的方法，000C厂⑴=°。+工c°sma)ot+工4sinm(votm-W-

5、

6、积分可得:2T0⑴cos(叫122T也”〒EW)sinOgfW丄2图1参考方波的波形化（―1严吆-1I7i2n-4V总(一1)曲厂⑴=―；——rcos((2n-0^/171気2〃一1t/p(O=x(r).r(r)2VVy兀心(-1严2/7-1cos[(2n一2)如一0]+(-1严2n-lcos(2na)

7、子开关和模拟乘法器相比不仅工作稳定性好，血且成本较低，速度更快。1.放大倍数计算信号经衰减器衰减100倍，经交流前置放大器放大5倍，送入相敏检波器，滤波后的直流信号放大20倍输出，即为原始信号的幅度值。三、电路设计1.系统总体框图：输入正弦波信号与噪声信号经过INA2134精密加法器叠加，纯电阻分压网络衰减100倍，得到微弱信号，经过OPA2227低噪声高精度前置放大，与参考信号一同进入相敏检波器进行互相关运算，输岀信号经过低通滤波器后将交流信号滤掉，只剩下直流信号经过直流放大器OP37放大后送入AD采样，单片机处理后输出到显示器；参考信号由单片机控制

8、DDS产生，经过移相后进入相敏检波器。2.前置放大电路由于纯电阻分压网络衰减后的信号很微弱，不易检测，故先将微弱信号经交流前置放大，再进行处理，见图2所示:::::::::::::R2:tOOkQ:：：：：：：：：：：：：：：：：VA::::—VEE：I；；::：_5V:工；；C1J>r

9、考信号相关的成分，把它还原成传感器输出的被测信号。利用AD630芯片做相关器，通过OP37低通