2012TI电子设计大赛微弱信号检测装置(A题)doc

微弱信号检测装置四川理工学院刘鹏飞、梁天德、曾学明I摘要：本设计以TI的LaunchPad为核心板，采用锁相放大技术设计并制作了一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率微弱正弦波信号的幅度值，并在液晶屏上数字显示出所测信号相应的幅度值。实验结果显示其抗干扰能力强，测量精度高。关键词：强噪声；微弱信号；锁相放大；LaunchPadIIAbstract:ThisdesignisbasedontheLaunchPadofTIcoreboard,usingalock-inamplifiertechniquedesignedandproducedaweaksignaldetectiondevice,tomeasuretheknownfrequencysinewavesignalamplitudevaluesoftheweakinthehighnoisebackground,andshowsthemeasuredsignalamplitudeofthecorrespondingvalueintheliquidcrystalscreen.Testresultsshowedthatithashighaccuracyandstronganti-jammingcapability.Keywords:weaksignaldetection;lock-in-amplifier;LaunchPadIII目录摘要：.............................................................................................................................IAbstract:.........................................................................................................................II1、引言.........................................................................................................................12、方案论证.................................................................................................................13、理论分析与计算.....................................................................................................34、总体方案设计.........................................................................................................35、硬件设计.................................................................................................................45.1信号产生电路.................................................................................................45.2前置放大电路.................................................................................................55.3带通滤波电路................................................................................................65.4移相网络........................................................................................................65.5锁相放大电路................................................................................................75.6低通滤波电路................................................................................................85.7LaunchPad电路连接.......................................................................................86、软件设计.................................................................................................................97、系统测试与结果分析...........................................................................................107.1测试仪器......................................................................................................107.2测试方案......................................................................................................107.3测试结果......................................................................................................107.4结果分析......................................................................................................128、总结.......................................................................................................................12附录A硬件实物图....................................................................................................12附录B软件代码........................................................................................................12参考文献......................................................................................................................2211、引言随着现代科学技术的发展，在科研与生产过程中人们越来越需要从复杂高强度的噪声中检测出有用的微弱信号，因此对微弱信号的检测成为当前科研的热点。微弱信号并不意味着信号幅度小，而是指被噪声淹没的信号，“微弱”也仅是相对于噪声而言的。只有在有效抑制噪声的条件下有选择的放大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。微弱信号检测技术的应用相当广泛，在生物医学、光学、电学、材料科学等相关领域显得愈发重要。2、方案论证针对微弱信号的检测的方法有很多，比如滤波法、取样积分器、锁相放大器等。下面就针对这几种方法做一简要说明。方案一：滤波法。在大部分的检测仪器中都要用到滤波方法对模拟信号进行一定的处理，例如隔离直流分量，改善信号波形，防止离散化时的波形混叠，克服噪声的不利影响，提高信噪比等。常用的噪声滤波器有：带通、带阻、高通、低通等。但是滤波方法检测信号不能用于信号频谱与噪声频谱重叠的情况，有其局限性。虽然可以对滤波器的通频带进行调节，但其噪声抑制能力有限，同时其准确性与稳定性将大打折扣。图2-1常用的滤波器示意图方案二：取样积分器取样积分法是利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便呈现出待测信号的真实波形。由于信号的取样是在多个周期内重复进行的，而噪声在多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的波形。其系统原理图如图2-1所示。图2-2取样积分原理图带阻滤波器带通滤波器高通滤波器低通滤波器取样门脉冲产生与控制积分器放大器Vs(t)+Vn(t)Vr(t)Vo(t)2一个取样积分器的核心组件式是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制RC积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形做同步积累，并将累积的结果保持到下一次取样。取样积分器通常有定点式和扫描式两种工作模式。定点式是测量周期信号的某一瞬态平均值，经过m次取样平均后，其幅值信噪比改善为nisinsVVmVV；扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可用于恢复与记录被测信号的波形，由于其采样过程受到门脉冲宽度的限制，只有在门宽范围内才能被取样。方案三：锁相放大器锁相放大器也称为锁定放大器（Lock-In-Amplifier,LIA）。它主要作为一个极窄的带通滤波器的作用，而非一般的滤波器。它的原理是基于信号与噪声之间相关特性之间的差异。锁相放大器即是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同相位和同频率的被测信号。锁定放大器可在比被测信号强100dB的噪声干扰中检测出有用信号。其原理框图如图2-3。图2-3锁相放大原理框图锁相放大器的核心部件是鉴相器，它实现了被测信号与参考信号的互相关运算。它把输入信号与参考信号进行比较，当两个信号相位完全相同时，即相位差为0时，经低通滤波后，输出信号的直流分量达到最大，其正比于输入信号中某一特定频率（参考输入频率）的信号幅值。锁相放大器具有很多优点：信号通过调制后交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检波器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声同频又同相的概率很小；利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做得很窄，并且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大提高。但是值得注意的是适合于锁相放大器的检测信号应该是单频的，或者传导频谱所占频带是较窄的。综合考虑，尤其根据是手头现有器件的情况，我们选择了利用锁相放大器作为本次的检测方案，并达到了预期的效果。放大器带通滤波鉴相器低通滤波器移相器本地振荡器Vs(t)+Vn(t)Vo33、理论分析与计算设输入信号为：根据傅里叶变换，r(t)可用三角函数的形式表示为：r(t)与x(t)相乘后的结果为：上式第一项为差频项，第二项为和频项。在通过低通滤波器（LPF）后，所有的和频项与差频项都被滤除。最后滤波器的输出为：上式说明被测信号经过相敏检波器（PSD）和低通滤波器