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1、201212 年年 8 8 月月 8 8 日日摘摘 要要 本设计采用 TI 公司的 AD630 作为作为整个系统的核心，先通过一个反向加法器将输入的微弱信号和 1v 左右的强噪声结合，然后经过纯电阻网络衰减，再通过前置放大 OPA2134 负反馈运放，将加法后的混合信号放大接给微弱信号检测电路，再通过 AD630 检波和低通滤波电路，将噪声滤除，最后输出微弱信号，通过 A/D 模块将采样后信号传送给单片机，由单片机控制液晶的输出。OPA2134，OPA2227 采用双电源供电，电压范围+2.5V+18V 之间，采用开关双电源+15V 供电，单片机模块电路采用 USB 5V 供电，液晶电压有单片
2、机供给。经测试，系统性能稳定，精度达到题目要求。目目 录录一一 、系系统统方方案案 1 11 1. .方方案案的的比比较较与与选选择择 1 11 1. .1 1加加法法器器方方案案 1 11 1. .2 2纯纯电电阻阻分分压压网网络络 1 11 1. .3 3微微弱弱信信号号检检测测电电路路 1 11 1. .4 4显显示示电电路路方方案案 2 21 1. .5 5总总体体思思路路 2 2二二、系系统统理理论论分分析析与与计计算算 3 32 2. .1 1加加法法器器的的分分析析 3 32 2. .2 2衰衰减减电电路路的的分分析析3 32 2. .3 3前前置置放放大大分分析析3 32.42
3、.4 微弱信号检测微弱信号检测输输入入阻阻抗抗分分析析 4 4三三、电电路路与与程程序序设设计计 4 43 3. .1 1电电路路设设计计4 43 3. .2 2电电源源模模块块4 43 3. .3 3加加法法器器模模块块5 53 3. .4 4衰衰减减与与前前置置放放大大模模块块5 53 3. .5 5 A AD D6 63 30 0锁锁相相检检测测模模块块5 53 3. .6 6 滤滤波波模模块块6 63 3. .7 7显显示示模模块块6 6四四、测测试试方方案案与与测测试试结结果果 7 74 4. .1 1测测试试方方案案及及测测试试条条件件7 74 4. .2 2测测试试结结果果完完整
4、整性性7 74 4. .3 3测测试试结结果果分分析析7 75 5、总总结结展展望望7 7附附录录1 1：电电路路原原理理图图8 8附附录录2 2：实实物物图图8 8附附录录2 2：液液晶晶调调试试程程序序9 9微弱信号检测电路（微弱信号检测电路（A A 题）题）【本科组本科组】一、系统方案一、系统方案1 11 1、加加法法器器方方案案加法器选用运放OPA2134的一个运放搭建反向放大器，有 “虚短”、“虚断”，可实现两个模拟信号的叠加。1 1. .2 2纯纯电电阻阻分分压压网网络络纯电阻分压网络采用电阻分压，纯电阻衰减避免引入多余的噪声源，本设计采用2.4k与20V两电阻分压形式分压1 1.
5、 .3 3微微弱弱信信号号检检测测电电路路方案一：滤波法。滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。方案二：锁相放大法。锁相放大是利用待测信号和参考信号的相互关检测原理来实现对信号的窄带化处理，能够有效的抑制噪声，实现对信号的检测方案三：取样积分法。取样积分法是近代物理实验室中测量噪声中微弱周期，重复信号的一种有力方法，通常我们可以设想用压缩带宽高低通滤波器的办法来达到此目的。对以上三种方案进行比较，方案一在低频段时，RC 滤波电路的输出波动很大，难以达到要求的相位精度，而方案二能够有效抑制噪声，符合要求。采用方案三由于数据过于繁琐，操作麻烦，且必须采集到众多的数据
6、才能体现出此法的优越性。经过比较，锁相放大法更具有优越性，所以采用锁相放大法。锁相放大电路图微弱信号检测由三部分组成：前置放大、AD630 整流模块，滤波电路组成。前置放大主要针对微弱信号的振幅不满足理想放大的输入信号尽可能大的条件进行的设计。AD630 锁相环放大模块具有极高的放大倍数，当有辅助前置放大器，增益可达 101l(即 220dB)，能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差，满刻度灵敏度达 pV、nV甚至于 pV 量级。同时，采用的锁相放大滤波电路具有 AD630 用于锁相放大电路中，等效于两片运放和开关时乘法器集合在了一个芯片
7、内，实现了高精度解调。低通滤波电路由一个运放 OPA2227 组成，当微弱的信号从检波模块里出来，会带有高频的噪声信号，利用低通滤波器即可将低频的有用信号滤出来，除去高频部分的噪声。1.41.4 显示电路方案显示电路方案方案一：采用八段数码管显示。由于要求显示设定值和测量值，需要显示的值比较多。采用 LED 数码管需要用动态扫描，占用资源比较多。整个显示界面显得不太友好。方案二：采用 LCD1602A 液晶显示器1602A 液晶显示器是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式 LCD。它能显示 16*2 的字符，即可显示两行，每行 16 个字符。模块最佳工作电压5V，此时工作电流为 2.0m
8、A。1602A 液晶显示器显示质量高，体积小，重量轻，功耗低。液晶显示是字符式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。本系统要显示的数据信息量大，要直观，出于系统要求，采用方案二1602A 液晶显示器。1 1. .5 5、总总体体方方案案描描述述（1）总总体体思思路路通过一个反向加法器将输入的微弱信号和 1v 左右的强噪声结合，然后经过纯电阻网络衰减，再通过前置放大 OPA2134 负反馈运放，将加法后的混合信号放大接给微弱信号检测电路，再通过 AD630 检波和低通滤波电路，将噪声滤除，最后输出微弱信号，通过 A/D 模块将采样后信号传送给单片机，由单片机控制液晶的输出。OPA21
9、34，OPA2227 采用双电源供电，电压范围+2.5V+18V 之间，采用开关双电源+15V 供电，单片机模块电路采用 USB 5V 供电，液晶电压有单片机供给。（2）系系统统工工作作流流程程框框图图（如如图图 1 1）二、理论分析与计算二、理论分析与计算2 2. .1 1加加法法器器分分析析如图：设3端口输入为V1，四端口输入为V2，输出为Vo，由虚短虚断知：V1/R1+V2/R2=Vo/Rf取R1=R2=Rf=2k，则Vo=V1+V2，则实现了加法器的功能2.22.2衰衰减减器器的的分分析析设输入信号为 Vo，输出为 Vp 经过简单的分压网络知Vo*R4/(R3+R4)=Vp取 R3=2
10、.4k,R4=0.02k则 Vp=Vo/121，即 Vo 衰减了 121 倍，实现衰减系数大于 1002.32.3前前置置放放大大分分析析如右图，衰减后的信号经过 8脚输进反向放大器，由虚短虚断知：Vo/Rf=Vs/R5取R5=0.02k，R6=2.4k，得Vo=Vs*Rf/R5=121Vs,即实现了放大功能2.42.4 微弱信号检测微弱信号检测输输入入阻阻抗抗分分析析由戴维南定理知：任一含源线性时不变一端口网络对外可用一条电压源与一阻抗的串联支路来等效地加以置换，此电压源的电压等于一端口网络的开路电压，此阻抗等于一端口网络内全部独立电源置零后的输入阻抗。故用万用表现测微弱信号检测输入端口电压
11、值为 V，输入电路电流为 I，则输入阻抗 Z=V/I三、电路与程序设计三、电路与程序设计3 3. .1 1电电路路设设计计3 3. .2 2电电源源模模块块电源由变压器220伏转12伏，然后经过桥式整流，在引出旁路电容滤波，在接到四块稳压芯片7805,7905,7815,7915，在通过电容滤波，最后输出实现双开关电源+5V+18V。3 3. .3 3加加法法器器模模块块加法器由组成的加法器3 3. .4 4衰衰减减与与前前置置放放大大模模块块衰减电路由两个电阻组成的衰减网络前置放大有OPA2227组成的负反馈电路3 3. .5 5 A AD D6 63 30 0锁锁相相检检测测模模块块AD630用于锁相放大电路中，等效于两片运放和开关时乘法器集合在了一个芯片内，实现了高精度解调。
