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1、1 006A013 微弱信号检测装置 参赛学生： 联系方式： 联系方式： 联系方式： 指导教师： 青岛理工大学自动化专业2 摘要 本设计是检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显 示出该幅度值。以锁相放大器作为微弱信号检测装置的核心，利用模块化设计， 分别实现系统各部分功能。加法器模块，将输入信号淹没在强噪声里；衰减模 块是将混合信号变成小信号；跟随器及放大模块，利用OP27实现了电压跟随并 将小信号进行放大至原来的幅值；锁相放大器是一种基于AD633芯片与低通滤 波的电路，利用AD633乘法器对同频同相参考信号与探测信号进行处理，再通 过低通滤波电路，使输出为直流量；放大
2、及显示模块把输出信号放大到适合 STM32A/D采样的电压值并经过单片机处理后用数码管显示。通过硬件和软件的 调试，结果与预期的相同。 关键词：微弱信号 锁相放大 强噪声 STM32 AD633 Abstract： This design is in the strong noise background of weak sinusoidal signal of known frequency amplitude value and digital display of amplitude value. The core of weak signal detection device is l
3、ock-in amplifier, using of modular design, respectively realizing the function of each part in the system. Adder module submerges the input signal in the noise. Pressure module declines the mixed signal into a small signal. The follower and amplification module use OP27 to achieve a voltage follower
4、 and enlarge the small signal to the original amplitude. The lock-in amplifier is based on the AD633 chip and the low pass filter circuit, using the AD633 multiplier to handle reference signal and the detection signal on the same frequency and phase, and then through the low pass filter circuit, the
5、 output becomes a straight flow. Amplification and display module is to amplify the output to the STM32A/D for sampling the voltage value and processed by single chip microcomputer with digital delay. Through the hardware and software testing, the result is identical to the expected. Keywords: weak
6、signal； lock-in amplifier ； strong noise ； STM32 ； AD6333 目录 一、 设计要求 1 二、 总体方案设计 2 2.1总体方案概述 2 2.2总体方案分析 3 三、 各模块方案分析与论证 3 3.1噪音信号处理 3 3.2加法器设计 3 3.3纯电阻网络衰减设计 3 3.4微弱信号检测设计 4 3.4.1前置放大电路设计 4 3.4.2微弱信号检测电路设计 3.4.3低通滤波设计 7 3.5软件设计 7 四、 实验分析与测试结果 五、 总结 六、 参考文献 七、 附录4 一、设计要求 1任务 设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声
7、背景下已知频率 的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。为便于测评比较， 统一规定显示峰值。整个系统的示意图如图1所示。正弦波信号源可以由 函数信号发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生， 通过PC机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源， 噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。图中A、B、C、D和E分别为 五个测试端点。 图1 微弱信号检测装置示意图2基本要求 （1） 噪声源输出V N 的均方根电压值固定为1V0.1V；加法器的输出 V C=V S +V N ，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。 （2）微弱信号检测电路的
8、输入阻抗R i 1 M。 （3）当输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz、幅度峰峰值在 200mV 2V范 围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。3发挥部分（1）提高正弦波信号的识别能力，当输入正弦波信号V S 的频率在 100Hz10kHz范围内、幅度峰峰值在20mV 200mV范围内时，检测并显示 正弦波信号的幅度值，误差不超过5%。（2）在发挥部分（1）的条件下，要求检测误差不超过2%。（3）当输入正弦波信号V S 的频率在100Hz10kHz范围内时，进一步降低 V S 的幅度，检测并显示正弦波信号的幅度值，误差不超过2%。 二、总体方案设计 2.1总体方案概述本
9、设计以锁相放大器为微弱信号检测装置的核心。输入信号与强噪声 经过加法器叠加，经由衰减电路、电压跟随器电路、前置放大电路，然 正弦波信号 源 微弱信号 检测电路 噪声源 V S V N V C V o 纯电阻压 网络 显示 电路 加法 器 V i ABCDE5 后和参考信号输入到乘法器电路中，之后通过低通滤波滤除交流分量， 再经过放大电路，最后经STM32A/D采样、处理，输出检测信号幅值并由 数码管显示。 2.2总体结构设计 三、各模块方案分析与论证 3.1硬件设计3.1噪音信号处理 题目要求噪声源输出V N 的均方根电压值固定为1V0.1V，噪声源采用给 定的标准噪声（wav文件）来产生，通
10、过PC机的音频播放器或MP3播放噪声 文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进 行控制。而现有设备播放噪声信号均方根幅值不能达到要求，因此设置一 前置放大电路对噪声信号进行处理，电路设置放大倍数为十倍，通过调节 音量大小来控制噪声均方根幅值大小。 放大电路原理图见附图3.1.1。 3.2加法器设计按照题目要求需要设计加法器电路将噪声信号与标准正弦信号叠加 实现此要求电路有以下两种方案： 方案一：设计一个同向加法器电路，R1，R2，R3的阻值相等，R4的阻值应 为R1/R2/R3的值，试验中选用R的阻值为10K，电路原理图见附图3.2（a） 。 但实际电路中对于微弱信号同
11、向加法电路幅值波动较大，故而舍弃此方案 方案二：设计一个反相加法器电路，由于改变了输入信号的相位故此再加 以反相器电路，由此两部分组成加法器电路，电路原理图见3.2（b） 。在实 际调试时，反向加法器电路幅值波动小，波形更为稳定，因此我们选择方 案二。 3.3纯电阻网络衰减设计 题目要求采用纯电阻分压网络实现分压网络的衰减系数不低于100，通过 查阅资料，现有以下几种方案，可以供我们选择。 方案一: 由一个电位器和一个固定的电阻组成的分压网络。 通过改变电位器的阻值就可以改变其衰减系数。这样就可以避免衰减系数 达不到或者更换元器件的情况。但是由于控制衰减系数要用手调节，这样就6 造成可能调节不
12、准确,造成产生误差，使测量不准确。因此舍弃此方案。 方案三: T型网络R 1 510 R 1 510 R 2 10 R 3 510能实现衰减并保持输入阻抗不变, 从输入端看进去的输入电阻应该等于 R0，所以可得 此电路具有良好的衰减效果，而且还不影响后面电路的输入，仿真效果非常 好。 综上所述：选择方案三。 3.4.1微弱信号检测前置放大电路设计 方案一：采用两级放大电路，电路图原理图见3.4.1(a),第一级电路为同相比 例运算电路，第二级为反相运算放大电路，利用叠加原理放大100倍，然后接 一个反相电路以保证相位不变。此方案满足题目对输入阻抗必须大于1 M的 要求，但是在电阻选择上有困难，
13、造成的误差比较大，而且用反相电路来保证 相位不变结构繁琐。故舍弃。 方案二：综合以上优缺点，设计出电路图见3.4.1(b)先用电压跟随器保证输 入阻抗大于1 M，然后用两级放大电路以方便电阻的选择并减小误差，同时 保证相位不变。此方案满足题目要求，而且结构简单，误差较小，切实可行， 故采用此方案。 3.4.2微弱信号检测电路设计 方案一：带通滤波：但在检测噪声波形及频率范围分析时发现，噪声频率大概 在0到20kHz，而要求检测的信号频率在100Hz10kHz之间，完全被噪声信号 淹没，因此不能采用带通滤波提取微弱信号。 方案二：锁相放大：使用模拟乘法器AD633JN，该方案是应用互相干原理，可
14、 以提取同频同相的正弦信号，并且输出值为含有直流分量的正弦波，与输入的 正弦波的幅值有一定的对应关系。因此采用此方案 锁相放大原理： 锁相放大器是由乘法器和积分器组成，其中乘法器采用模拟乘法器，积分 器通常由低通滤波器组成，下图给出锁相放大器的构成原理图。7 相敏检波器 待测信号 参考信号 输出信号设待测信号 ，其中 为待测信号中 t n t cos V t n t V t V s s s s1 s ) t ( V s1 的有效信号，n 为噪声。 t 参考信号 ，则经乘法器的输出信号为 ，积 r r r r t cos V t V t V t V V r s i 分器的输出信号 为： O V dt t V t n t V 2T 1 lim V r T T s1 T O = rn sr T T s1 T T r s1 T R R dt t n t V dt t V t V 2T 1 lim 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 sr R rn R 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 rn R
