微弱信号检测设计报告

微弱信号检测电路设计报告摘要本系统采用锁相环电路，模拟开关乘法器运用相敏检波的方法来实现微弱信号的检测，先对混叠噪声的微弱信号进行带通滤波放大，在利用相敏检波的方法，通过锁相，乘法器分析实现对微弱信号的准确测量。一，方案论证与比较1，微弱信号检测电路方案一:采用滤波电路检测微弱信号，通过低通滤波电路将微弱信号从噪声中检测出来，但是滤波电路的中心频率是固定的，而且噪声分布在各个频率，简单滤波放大电路无法准确的检测到微弱信号的复制，故舍弃；方案二:采用统计方法，通过多次多次取样积分，在重复区间多次取样积分，利用A/D转换，分析出输入微弱信号的幅度大小，此方案取样效率十分低下，并且大幅度噪声带来的误差比较大，不利于结果得测量方案三：采用相关检测技术来实现，利用相敏检波电路，先对输入信号进行带通滤波，滤掉大部分噪声信号频率范围，再进行相敏检波电路分析，锁相环放大电路能够很好的锁定输入的微弱信号的频率，实现频率同步，利用乘法器进行分析。由于本题是在强噪声情况下检测微弱信号，利用锁相环的相敏检波电路刚好满足了这一点，达到了题目中的要求。故采用此方案。2，系统整体方案本系统总体框图如图(1)所示，系统由加法器、纯电阻衰减器、前置放大电路、带通滤波器，锁相环电路，模拟开关乘法器和低通滤波器构成；其中由同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，使得信号与噪声混叠，然后经过衰减器衰减100倍以上，送到由放大电路、带通滤波、锁相移相、比较和低通滤波器构成微信号检测电路中。本系统以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相电路和比较器输出方波驱动开关管乘法器，输出直流信号然后通过单片机A/D转换，最后在液晶上显示出来。3，相关检测系统移相网络设计采用锁相环电路（如LM567芯片），故输出的信号将于原信号有相位偏移（偏移量在90°左右），而使用乘法电路时，将使结果产生很大误差，故需调整相位偏移。方案一:利用反相器电路矫正，由于产生的相移可能存在偏差，不一定是刚好是90°，方向器不能实现相移的微调，故对结果得精度误差，影响较大。故不采用。方案二：利用两级锁相环电路，在第一级进行锁相，第二级进行调整相位偏移，能够很好的纠正相位偏移，且不会影响输出信号的频率同步。故采用方案二。图(1)二，理论分析与计算1,锁相放大器原理锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成，是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、同相的噪声分量有响应。所以它能大幅度抑制噪声信号，提取出有用信号。本系统采用LM567锁相环芯片。锁相电路的带宽计算为BW=1070*√Vi(f0∗C2)，C2越大，锁相的频率带就越款。2,相敏检波器原理相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器，本设计采用开关式乘法器，运用CD4066模拟开关控制乘法器正反向放大，相敏检波器，的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波，当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大。3，三，硬件电路系统设计1，纯电阻分压网落模块采用两个纯电阻进行分压，如图（2）所示，满足衰减系数大于100即可图（2）衰减系数a=𝑅6+𝑅7𝑅7=101,符合题目要求微弱信号纯电阻分压网络噪声低通滤波锁相环电路比较器模拟开关反相同相放大器带通滤波器输出2，带通滤波器模块设计由于噪声源为强噪声，噪声分布在各个频率带，所以通过带通滤波器可以滤过大部分频率范围的噪声，得到中心频率在500Hz~2K范围内，便于后续更好的测量，电路模块设计如下图（3）图（3）3，相敏检波电路设计相敏检波电路模块设计如下，采用两级LM567锁相环电路，前一级用来同步锁定微弱信号的平率，后一级主要用来调整相移，使得相位与原信号相同，锁相后，通过比较器获得同频率方波，进入模拟开关进行正反向放大，完成乘法器电路。电路图如图（4）图（4）4，低通滤波器模块的设计相敏检波器输出的信号还需要经过低通滤波后才能。滤波范围在10Hz以内，才可以达到理想测量的效果，误差较小，电路图设计如下图（5）四，系统软件设计NYCount32?开始初始化开始采样采样次数count++取采样平均值记录采样数据非线性误差补偿LED显示五，测试方案与测试结果1，测试仪器函数信号发生器，万用表,示波器,直流稳压源2，测试方案1)基本部分测试B点噪声源输出VnVc的有效值输出为1.01V。C点加法器的波形：无明显失真D点衰减系数为：101。D点的电路输入阻抗为：2.9MΩ。保持正弦信号的频率为1KHz,幅度值（VPP）改变，检测并显示正弦信号的幅度值，测量结果如下表。输入信号显示幅值（V）作品显示幅值（V）误差（%）0.200.192.00.300.301.00.400.414.50.500.524.20.600.601.30.700.711.80.800.811.40.900.922.41.001.044.31.101.141.31.201.253.81.301.342.81.401.442.61.501.542.51.601.631.81.701.721.71.801.810.61.901.900.12.001.990.42)发挥部分测试改变输入信号幅度范围（20mVPP-2VPP），输入频率为1KHz，观察显示数，测量结果如下表。3,测试结果及分析由上述测试数据可得，本系统能较好地完成基本部分和大部分发挥部分，当正弦信号频率为1K时，输入信号幅度在200mvpp-2VPP能很好地显示出来，误差在5%范围内，在20mvpp-200mvpp时，电路误差变大。可能是由于各级加法，放大器的线性误差及零飘，MSP430AD采样的非线性误差等导致的。六，参考资料略