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1、电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增刊 强噪声干扰下的微弱信号检测系统设计 黄斌陈尚松郭庆 ( 桂林电子科技大学电子工程系，桂林5 4 1 0 0 4 ) 摘要：文中介绍一种强噪声干扰下的微小信号幅值检测方法，阐述了锁相放大实现微弱信号检测的原理。系统采用A D 6 3 0 这一平衡调制解调芯片来实现相敏检波功能，以抑制噪声干扰；利用高精度模数转换芯片A D 7 7 3 1 来完成数据采集。测试电路 简单，灵敏度比较高，较好的抑制了噪声干扰，实现了微小信号幅值检测，具有实际应用价值。 关键字：微弱信号检测锁相放大模数转换 D e s i g no fM e a s u r i n gA m
2、 p l i t u d eo f L e s sS t r o n g e rS i g n a l sU n d e rS t r o n gI n t e r f e r e n e eo f N o i s e H u a n gB i n C h e nS h a n g S o n gG u oQ i n g ( D e p t o f E l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g , G u i l i nU n i v e r s i t yo f E l e c t r o n i cT e c h n o l o g y , G u i
3、l i n5 4 1 0 0 4C h i n a ) A b s t r a c t ：I nt h ep a p e r , am e t h o do fm e a s u r i n gt h ea m p l i t u d eo fl e s ss t r o n g e rs i g n a l su n d e rt h es t r o n gi n t e r f e r e n c eo ft h en o i s ei s p r e s e n t e d T h ep r i n c i p l eo f p h a s e l o c k e dA m p l i
4、 f i e r t or e a l i z et h ed e t e c t i o no f w e a ks i g n a li sa n a l y z e d I ta d o p t sA D 6 3 0t or e a l i z et h e f u n c t i o no fl o c ki nA m p l i f i e r , w h i c hi sak i n do fb a l a n c em o d e m T h es y s t e mc a r ls u p p r e s sn o i s ea n di n t e r f e r e n c
5、 ep r e f e r a b l y , a n di t r e a l i z et h ef u n c t i o no fd a t aa c q u i s i t i o no ft h es y s t e mb yA D 7 7 31w h i c hi sak i n do f2 4 - b i ta n a l o g 1 睁d i g i t a lc o n v e r t e rw i t hh i 【g h p e r f o r m a n c e ，a d o p t i n gt h i sc h i pc a ni m p r o v ep r e
6、c i s i o no ft h er e s u l to fc o n v e n e r T h et e s tc i w u i ti ss i m p l ew i t hh i g hs e n s i t i v i t y , t h e o p e r a t i o ni sf l e x i b l e , i ts u p p r e s s e sn o i s ei n t e r f e r e n c e ，r e a l i z e st h em e a s u r i n gt h ea m p l i t u d eo fl e s ss t r o
7、 n g e rs i g n a l sp r e f e r a b l y ，a n dh a s u s e f u Iu t i i i t yi np r a c t i c a l i t y K e y w o r d s ：W e a ks i g n a ld e t e c t i o n , l o c ki nA m p l i f i e r , a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e L 在电子测量中，当检测微弱信号幅值时，经常会 受到比待测信号幅值大得多的噪声干扰，这严重影 响了测量结果的准确性，如何有效
8、地抑制噪声干扰 就成为了微小幅值测量中的关键。本文采用锁相放 大技术来抑制噪声干扰，然后使用低噪声高精确度 的模数转换芯片A D 7 7 3 1 完成数据采集，以实现微小 信号幅值测量。 1 系统结构框图 + ， 幅值检测系统的硬件部分主要由锁相放大及 滤波处理电路，模数转换电路，控制系统及显示部分 组成。总体设计框图如图l 示。 l 波处理电路II 电路Il 换器II 机Il 显示J 图1 幅值检测系统硬件设计框图 2 系统方案设计 2 1 锁相放大电路 2 1 1 锁相放大实现微小信号幅值检测原理 锁相放大是幅值检测系统中的关键。它以相干 检测技术为基础，即利用输入信号频率与参考信号 频率
9、相关。与噪声频率不相关，从而从噪声中提取 待测微弱信号，其核心是相敏检波器和低通滤波 器。相敏检波器主要完成对周期信号的互相关运 算：即对输入到相敏检波器中的信号进行乘法运 算。互相关运算框图如图2 示。 图2 互相关运算框图 电子测量与仪器学报2 0 0 6 年增刊 其中U s 力相敏检波的输入信号，U R 参考信号，U o 输出信号。设 U s = Es i n ( 2 n f , t + ) U R = Ec o s ( 2 n f 2 t + y 2 ) 通过互相关运算就得到相敏检波的输出信号 U o ： u a = 兰号 c o s 2 x ( f , 一正弘+ ( 帆一) 】 一三
10、每 c o s 【2 万+ 石y + ( + ) 】 从上式可以看出相敏检波的输出分成两部分。 前一部分是输入信号与参考信号的差频分量。后一 部分为和频分量。当输入信号与参考信号频率相同- 时，即f , = f 2 时，差频为零，这时差频分量变成相敏直 流电压分量，而和频分量成为倍频。通过后续低通 滤波滤除倍频分量，最后锁相放大的输出变成一低 频分量其电压幅值为： 兰竺c o s ( 一2 ) ， 7 其中缈。一妒：为输入信号与参考信号的相位差。当 相敏检波的参考信号是与输入信号同频率的对称 方波时，相敏检波器的输出存在一相敏低频分量幅 值为： 兰竺c o s ( l 一妒2 ) 由此可见输入
11、信号经相敏检波和低通滤波后。可将 交流信号转变为直流信号。当在强噪声干扰下检测 与参考信号频率相同的微小信号幅值时采用此原 理后的电路能很好地抑制噪声干扰。 2 1 2 具体实现电路 锁相放大电路由前置放大及滤波、移相、限幅 放大、相敏检波及低通滤波组成。其原理框图如图 3 示。 母匾矾嘲 T 囵恒丑圈 图3 锁相放大的原理框图 在实际设计中采用A D 6 3 0 这一平衡调制解调芯 图4A D 6 3 0 实现相敏检波原理图 系统中输入信号为混有强噪声干扰下的低频 正弦小信号，频率为4 H z 。经放大系统放大6 0 d B 滤 波( 滤除通带以外的噪声和干扰) 后，即为原理图中 的输入信号
12、；与输入信号同频率的方波或正弦波经 电压比较器过零比较，变成占空比为I ：1 的方波， 移相。所得到的信号作为A D 6 3 0 的参考信号。相敏检 波的输出信号经低通滤波后，就将交流信号转变为 直流信号。移相电路的作用是改变参考通道输出方 波的相位，使它在9 0 。内可调，通过调节此电路使相 敏检波的输入信号与参考信号的相位差为零。此时 锁相放大电路的输出信号的幅值就与输入信号与 参考信号的相位差无关。本设计中的低通滤波器采 用多重反馈巴特沃斯低通滤波器( 由3 个一阶低通 和1 个二阶低通联结成五阶低通滤波器) ，设计截止 频率为1 0 H z 。 2 2 模数转换电路， 由于待测信号为微
13、弱信号，系统对数据采集的 精确度要求非常高，而采用传统的模数转换器要加 程控放大器，调理电路，这样就使整个电路复杂且 精度难以控制，文中采用高精度模数转换芯片 A D 7 7 3 1 可使电路设计简单化。其理论精度可达到2 4 位：片内P A G 允许A D 7 7 3 1 处理从2 0 m Y 到1 2 8 V 的模拟 输入电压范围，且可直接接收来自前端的信号；它还 可以通过设置其内部数字滤波器频率最大限度地 抑制噪声，具有比传统高分辨率模数转换器更高的 抗噪声能力。 电子测量与仪器学报 2 0 0 6 年增刊 A D 7 7 3 1 内部包含信号前端可编程增益器、一 调制器、寄存器组、时钟
14、振荡电路、数字滤波器 和双向串行通讯端口等。A D 7 7 3 1 内含的寄存器组 包括通讯寄存器，状态寄存器，方式寄存器，滤波寄 存器和校准寄存器等。对这些寄存器的访问是通过 串行接口来进行的。通过设置片内寄存器，可以方 便地控制A D 7 7 3 1 的所有功能，并且还可以从片内寄 存器中获取重要的状态信息以及模数转换结果。 A D 7 7 3 1 的引脚A I N l 和A I N 2 ，A I N 3 和A I N 4 ，A I N 5 和A I N 6 分别是3 组信号的差动输入端，其每个引脚 的共模输入范围必须是A G N D + I 2 V 到A D 一0 9 5 V ， 设计中
15、在锁相放大的输出信号后必需加一加法电 路，以提高模拟输入端的直流电平，使之满足其引 脚的共模输入范围。本设计采用A D 5 8 4 提供+ 5 V 电压 基准，A V D D + 5 V ，主时钟选用4 9 1 5 2 M H z ，模拟输入通 道选择A I N 3 和A I N 4 。数据采集更新速率为5 0 H z 。电 路中模数转换芯片A D 7 7 3 1 与单片机接口电路如图5 示： 图5A D 7 7 3 1 与单片机接口电路 微小幅值检测要求系统模数转换的精度和稳 定性非常高。电路板的合理布局和控制程序的编写 都能一定程度提高转换结果的精度和稳定性。布板 工艺和软件编程必需注意以
16、下方面：( 1 ) 布板时要 求电路中的A G N D 与D G N D 的布线应满足一点接地以 避免数字与模拟电路出现有公共回路，数字地与模 1 0 0 0 拟地最后要以星形接于一点，接地点尽量靠近 A D 7 7 3 1 ；模拟电路部分应该大面积敷铜，以减少噪声 干扰；与单片机相连的串行数据输出端、串行数据输 入端及串行时钟端要分别加上拉电阻以确保引脚 上数字信号的稳定；基准电压要做的非常稳定和精 确。( 2 ) 在正确的转换驱动程序下，采用“看门狗技 术”对A D 7 7 3 1 的工作状态实施定时监控；在采样 速度允许的情况下，将A D 7 7 3 1 的数字低通滤波器频 率设置得尽可能低。 3 单片机软件模块设计 软件设计包括：系统初始化、模数转换、数据 处理及显示，系统软件流程图如图6 示。系统初始化 后进行A D 转换，单片机通过查询A D 7 7 3 1 的肋】，来 读取数据采集的转换结果，一个数据采集1 0 0 个点， 把所采集的值算法运算后求其平均值经单片机送 L C
