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微弱信号检测装置设计.doc
2012辽宁省电子设计竞赛设计报告
微弱信号检测装置设计
摘 要:
根据要求,我们设计了基于锁相放大的微弱信号检测装置。该装置能够对强噪声背景下的微弱信号进行有效的测量,拥有低输入信噪比、宽输入带宽、测量较准确等优点。
该装置由模拟信号叠加背景噪声的加法器模块、模拟信号衰减的纯电阻分压网络模块、基于锁相放大的微弱信号检测电路模块、基于MSP430的幅值检测显示模块共同组成。
其中加法器由OPA2134搭建,符合题目要求的输出及带宽;分压网络由纯电阻搭建,简单快捷,性价比较高;设备的核心锁相放大器由OPA2134搭建的前置放大器、前置滤波器、低通滤波器、移相器,OP07与4052组成的开关型相敏检测器,OPA2340搭建的比较器构成,完成了强噪声背景下的小信号相干检测,准确且稳定;幅值检测显示模块利用高性能MSP430单片机内置的高精度AD转换器进行采样并经12864显示,美观大方。
关键词:
微弱信号检测;锁相放大器;开关型相敏检测器 ;MSP430单片机目 录
3
1.1方案选择与论证 3
1.2 总体设计思想 3
二. 理论分析与计算 5
2.1加法器单元电路设计 2.2纯电阻单元电路设计 5
2.3 6
1.前置放大与滤波器电路设计 6
2.相敏检测(鉴相器)电路设计 7
3.参考信号电路设计 8
4.低通滤波器 9
2.4 MSP430采样与显示 10
三. 实物展示 12
四. 测试方案与测试结果 13
4.1 检测仪器 13
4.2 检测方法与结果 13
结 论 15
参考文献 16
附录 17
方案选择与论证
方案选择与论证
从本题要求整体分析可知,设计的微弱信号检测装置的核心在微弱信号检测电路,因此方案的选择与论证重点考虑该部分电路:
方案1:方案:对信号的窄带化处理,能有效的抑制噪声,实现对信号的检测和跟踪。方案3:方案选定:理论分析与计算
2.1 加法器单元电路设计
同向加法器
根据题目要求加法器的输出U0 =Ui1+Ui2 ,Ui1为正弦波信号,Ui2为噪声源信号,由同相加法器的输出公式:
经过测试得R1=R2=R3=R4=10K.为满足题目要求带宽大于1MHz,于是选择运放OPA2134,其有效带宽可达8MHz。
2.2 纯电阻单元电路设计电路设计锁相放大器是以相干检测技术为基础,利用参考信号频率与输入输入信号频率相关,与噪声信号不相关,从而从较强的噪声中提取出有用信号,使得测量精度大大提高
前置滤波器、放大器
通过巴特沃斯低通滤波器的两级放大使增益达到100倍,放大倍数分别都为10倍,(即取K=10);低通滤波的截止频率fc≥2k,由巴特沃斯低通滤波器公式:
K=1+R4/R3
第一级:
取标准值为C1=10nF,C2=1.01nF,R1=84.87K,R2=7.35K ,R3=2.5K, R4=22.5K。
代入数据,R1=84.87k,R2=7.35K ,C1=10nF, C2=1.01nF,算出fc=2001.2Hz,符合要求。代入 R3=2.5K, R4=22.5K.K=1+R4/R3=10,符合要求。
第二级:
取标准值为C1=10nF, C2=1.01nF,R1=190.21K,R2=3.05K,R3=2.5K, R4=22.5K。
2.3.2 鉴相器电路设计
开关型鉴相器
相敏检测器是由乘法器和积分器组成,其中乘法器一般采用开关乘法器,积分器通常由低通滤波器组成,给出相敏检测器的构成原理图。
相敏检测器原理图设待测信号,其中为待测信号中的有效信号,n为噪声。参考信号,则经乘法器的输出信号为,积分器的输出信号为:
=
上式中、分别是待测有效信号与参考信号及参考信号与噪声之间的相关函数,对于项,由于噪声的频率和相位都是随机量,可以认为参考信号与噪声互相独立,它的相关函数为零:即经过长时间的积分,项为零,实际上积分时间不可能无限长,也就是说实际计算中不可能为零,它表现为剩余噪声,但噪声对测量结果的影响已经大大降低,对于项为:
=
由上式可知,积分内的两项是待测有效信号与参考信号的和频及差频相关,当时,且噪声相关函数为零时,积分器输出的信号可表示为:
式中K为低通滤波器的传递系数,为待测信号与参考信号的相位差,当待测信号与参考信号同频率时,相敏检测器输出的信号与待测有效信号的幅度有关,也与待测信号与参考信号的相位差有关,调整参考信号的相位,当=时,相敏检测器的输出信号与待测信号的幅度成正比。总之,由于输入信号中的噪声与参考信号不相关,经积分器积分后,噪声得到了很好的抑制,而有效信号得到了放大,从而提高了测量的精度和信噪比。。
当R1=R2=R,C1=C2=C时,Wc=1/RC,设计值为:R1=R2=5K, R3=R4=10K, C1=C2=470nf。符合要求。
2.4 MSP4
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