大学生电子设计竞赛.doc

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1、2012年辽宁省大学生电子设计竞赛微弱信号检测装置（A题）2012年8月5日摘要微弱信号检测装置是用以检测在强噪声背景下微弱正弦波信号的幅值，并数字显示出该幅度值的装置。本设计首先将给定的噪声文件通过通过MP3或手机播放，由音频输出线输出音频电压信号，此音频电压信号由TI公司的音频放大器OPA2134进行幅度的调整输出噪声信号VN，可以达到1V0.1V的要求。正弦波信号源VS由函数信号发生器产生，采用TI公司的高精度运算放大器构建加法电路实现VC =VS+VN。采用精密电阻构建电阻分压网络以实现100倍的幅度衰减。经上述处理产生了带有噪声的微弱信号VC，并且噪声的频带覆盖了有用信号的频带。带有

2、噪声的微弱信号VC先经仪用放大器AD620进行前置放大，然后经低通滤波器和高通滤波器滤除2.1KHZ以上和400HZ以下的噪声信号，再经OPA2227进行二次放大，使得待测信号的噪声得到抑制。为了剥离噪声，采用了锁相相关技术和取样积分方法。采用原始的正弦信号VS作为参考信号，此参考信号经运放阻抗隔离后进行滤波，为达到与待测信号VC同相，参考信号的滤波与待测信号的滤波电路一致。滤波后的参考信号经比较器后得到与待测信号同频同相的。待测信号与参考方波信号经CD4066后变为半波信号，在经积分环节可得到与峰值有关的直流信号。最后由MSP430单片机内部的A/D进行采样与数据处理，最后依据经实验测试得到

3、输出结果与待测值的比例系数，可以求出正弦信号的峰值。关键词:微弱信号检测；峰峰值；均方根值；锁相放大；取样积分；目录摘要2Abstract2目录3第一章 系统方案11.1 噪声信号调整部分的论证与选择11.2微弱信号检测部分的论证与选择1第二章 单元电路的理论分析与设计22.1噪声信号调整电路的理论分析与设计22.2 加法电路的理论分析与设计22.3 纯电阻分压网络的理论分析与设计32.4 检测信号电路的理论分析与设计32.4.1 前置放大电路的分析与设计42.4.2带通滤波电路的分析与设计4第三章 软件部分设计63.1程序功能描述与设计思路63.2程序流程图6第四章 系统测试与仿真74.1

4、硬件测试74.2 软件仿真测试74.3 测试结果及分析74.3.1测试结果(数据)74.3.2测试分析与结论7第五章 设计总结8参考文献9附录1：电路原理图10附录2：源程序11 第1章 系统方案本设计的任务是完成TI大赛的A组竞赛题。要求设计并制作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的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。系统由微弱信号生成模块、微弱信号检测电路模块、MSP430及显示电路模块组成，其中微弱信号生成模块由噪声信号生成电路、加法电路、纯电阻分压网络组成，如图1.1所示。正弦波信号源微弱信号检测电路噪声信号生成模块VS VN VC Vo 纯电阻分压网络MS

5、P430及显示电路加法器Vi A B C D E 图1.1系统总体结构图图1.1中的正弦波信号源VS由函数信号发生器产生，信号的频率在500Hz 2kHz范围内，峰峰值在20mV 2V范围内。噪声VN由给定的噪声文件通过通过MP3或手机播放，通过一定的音频接收电路产生，VN的均方根电压值固定为1V0.1V。加法器的输出VC =VS+VN，带宽大于1MHz，纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。可见，经电阻分压网络后的信号为带有噪声的微弱信号（25mv以下）。因此设计的重点为微弱信号检测模块的设计。微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。常用的微弱信号检测方法有：滤波，锁相放大，取样积分等。下面

6、介绍下面介绍各模块的设计方案。1.1 微弱信号生成模块设计方案1.1.1噪声信号生成电路设计方案噪声信号由给定的噪声文件通过通过MP3或手机播放，由音频输出线输出音频电压信号，经测量，原始的噪声信号频率范围为020KHZ，幅度为50毫伏以下。为使得输出的噪声信号VN达到均方根值1V0.1V的要求，需要设计放大电路进行幅度的调整。方案一：采用TI公司的LM324A通用四运放构成同相比例放大电路，来对噪声信号电压进行放大。LM324A具有低功耗，价格低等优点，带宽为（1.2MHZ），适用场合比较多，可以作为音频放大器用。但其并非专用的音频放大器，音质较差，在对噪声信号电压放大时有可能使信号的输出失

7、真。方案二：采用TI公司的OPA2134音频放大器来提高噪声信号的电压，构成噪声信号调整电路。因其具有超低失真，低噪声，高带宽（8MHZ），高精度等优点，可以在不失真的情况下输出噪声，并达到提高电压目的。综合以上两种方案，选择方案二。1.1.2 加法器电路设计方案设计要求构建加法电路实现VC =VS+VN，VN的峰峰值为20mV 2V，VN的均方根值为1V0.1V，相加后信号幅度小于2.5V，但要求VC带宽大于1MHz，因此应选用宽频带的放大器。经选择采用TI公司的低噪、高精密运算放大器OPA2227。1.1.3 纯电阻分压网络设计方案 设计要求纯电阻分压网络对VC进行不低于100的衰减。拟采

8、用精密电阻构建电阻分压网络，实现信号衰减。1.2微弱信号检测模块设计方案1.2.1 采用微弱信号检测方法“微弱信号不仅意味着信号的幅度小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感原理、相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号。由于被测量的信号微弱，传感器、放大电路和测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅度大的多，放大被测信号的同时也放大了噪声，而且必然会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和各种外部干扰的影响，因此只靠放大

9、是不能把微弱信号检测出来的。只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提取出有用的信号。本设计的微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。常用的微弱信号检测方法有选频放大、滤波，锁相放大，取样积分等。在测量中，噪声是一种不希望的扰乱信号，它是限制和影响测量仪器的灵敏度的白噪声和1f噪声的低频噪声。这些噪声是无法用屏蔽等措施消除的。为了减少噪声对有用信号的影响，常用窄带滤波器滤除带外噪声，以提高信号的信噪比。但是，由于一般滤波器的中心频率不稳，而且带宽和中心频率以及滤波器的Q值有关等原因，使它不满足更高的滤除噪声之要求。选频放大技术是使放大器的中心频率f 0与待测信号频率相同，从而对噪声

10、进行抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。锁相放大技术利用待测信号和参与信号的互相关检测原理实现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。根据相关原理，通过乘法器和积分器串联，进行相关运算，除去噪声干扰，实现相敏检波，锁相放大器采用互相关接受技术使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级。目前，锁相放大技术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。1.2.2 本设计的微弱信号检测总体方案本设计采用锁相放大技术并结合前置放大、滤波、锁相相关、采样积分方法实现待测小信号的检测，结构图如图1.2所示。带有噪声的微弱信号VC经前置放大电路抑制噪声，并达到输入

11、阻抗Ri1 MW；然后带通滤波电路进一步滤除噪声，再由后面的放大电路进行信号二次放大。参考信号取至正弦波信号源VS，经带通滤波实现与待测信号同相位（因为信号通道的带通滤波电路产生了相位偏移，为保证信号在乘法器中同频同相相关，因此设置与信号通道一样的滤波电路）。滤波后的参考信号经电压比较器变成与待测信号同频同相的方波信号，作为乘法器的控制信号。这样乘法器输出的信号已经滤除了与待测信号不同频的噪声信号。待测信号与参考方波信号经乘法器后变为半波信号，再经积分环节可得到与峰值有关的直流信号。信号通道开关乘法器取样积分电路放大电路带通滤波电路前置放大电路电压比较器带通滤波电路隔离放大电路低通滤波电路信号

12、放大电路参考信号通道MSP430及显示模块图1.2微弱信号检测模块总体结构1.2.3 前置放大电路设计方案 考虑到系统所要处理的信号比较微弱，而且对波形要求比较高，要求具有高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声、低温漂、非线性度小，合适的频带和动态范围。所以要采用仪表类放大器来完成电路的设计方案一：采用BURR-BROWN公司的程控仪表放大器PGA202组成前置放大电路。其优点是内部集成了程控的增益改变逻辑电路，由于省去了增益控制部分，利用PGA202搭建起来的电路得到了很大的简化。而且噪声与温漂都很低，放大倍数稳定。但由于PGA202的对称性较差，在使用时必需加入前级差分放大，这样就降低了电路的共

13、模抑制比，这对减少放大器对电路的干扰是不利的。方案二：采用TI公司的仪用放大器AD620构成仪用放大器电路。AD620内部集成了仪表放大器的主要结构，有良好的对称性，具有很高的共模抑制比和输入电阻，能满足系统要求的Ri 1M。同时AD620具有低噪声，低温漂等优点。综合考虑采用方案二。1.2.3 带通滤波电路设计方案 采用先低通再带通的设计方案。采用巴特沃斯性滤波器。1.2.4相敏检波器的方法比较与选择信号通道参考信号通道待测信号参考信号相关器 图1.3 锁相放大器原理框图为了大幅度提高检测下限和测量灵敏度，不仅要减少测量系统的噪声，而且要能从噪声中提取信号，故采用的新思路，进行相干检测。常用

14、的相敏检波器的方法有：方案一：集成模拟乘法器：模拟乘法器调试复杂，价格较高，且要求保证动态范围大，线性好等，较难实现；方案二：开关式乘法器：开关式乘法器具有价格低廉，基本无需调试等优点，是一种较为实用的相敏检波器。 两者比较起来，由于后者具有价格低廉，基本无需调试等优点，所以本设计中采用开关式乘法器。第二章 单元电路的理论分析与设计2.1噪声信号调整电路的理论分析与设计 已知噪声频带范围为020KHZ，噪声信号的均方根值为040mV。要求噪声源输出VN均方根电压值固定为1V0.1V。因此噪声放大倍数应满足K25。现采用OPA2134组成同相放大器，其放大倍数为： 系统电路图如图2.1所示：图2

15、.1 系统电路原理图2.2 加法电路的理论分析与设计 系统要求VC=VS+VN ，带宽大于1MHZ。采用1片OPA2227组成加法器，前一级为放大倍数为1的反向加法电路，后一级为放大倍数为1的反向跟随电路。这样就能保证输出信号与输入信号同相。OPA2227引脚如图2.2.1所示：加法部分的电路图如图2.2所示：图2.2 系统电路原理图2.3 纯电阻分压网络的理论分析与设计 为实现分压网络的衰减系数不低于100，系统在加法器输出端串联两个电阻R12 、R13 。如图2.3.1所示，为了方便计算，将R12 取值为9.9K, R13 取值为100，这样得到的Vi刚好衰减100倍。此时输出的Vi 值为

16、： 图2.3 系统电路原理图2.4 微弱检测信号电路的理论分析与设计 检测信号电路的整体框图如图2.4所示：Vi仪用放大电路带通滤波器乘法器VSK=1运放电压比较器图2.4 系统电路原理图2.4.1 前置放大电路的分析与设计 AD620引脚图与内部结构如图2.4.1（a）所示，其中引脚1与引脚8之间可以接可调电阻RX ,可以通过调整RX 的大小来调节AD620的增益值。RX 选择20K的可调电阻。2引脚接弱信号Vi ，将5引脚接地，6即为输出对地电压。电路如图2.4.2所示， 图2.4.1 （a） 系统电路原理图图2.4.1（b） 系统电路原理图2.4.2带通滤波电路的分析与设计 电路组成原理

17、由图2.4.2（a）所示，带通滤波电路的幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较，不难发现低通与高通滤波电路相串联可以构成带通滤波电路。条件是低通滤波电路的截止频率H 大于高通滤波电路的截止频率L，两者覆盖的带通就提供了一个带通响应。 低通高通VoVi 低通 高通带通图2.4.2（a） 系统电路原理图低通滤波器的电路图如图2.4.2（b）所示。具体电路中电阻电容的参数计算方法如下：根据设计要求可知 ，若 则： 可以计算得出: 式中 取的值为,则由公式 可以计算出 ,取,代入式 与 可得 ，。图2.4.2（b） 系统电路原理图高通滤波器的电路图如图2.4.2（c）所示，电路的元件参数计算方

18、法如下：首先令。则： 所以有传递函数表达式为 式中， 式中 ，则根据 可得 ,取 ,将与的值代入式 与 计算可得 , 。图2.4.2（c）系统电路原理图2.4.3 电压比较电路的理论分析与设计由于参考信号是从输入端直接引出，为了防止比较器对前端输入的正弦信号产生干扰，在比较器的前端加一级运算放大器，放大器的增益为1倍。电压比较器模块电路图如图2.4.3（a）所示图2.4.3（a） 系统电路原理图第三章 软件部分设计3.1程序功能描述与设计思路 1、程序功能描述 根据题目的要求，软件部分主要实现显示功能。显示部分主要显示出正弦波的峰值。2、程序设计思路单片机控制积分采样系统对微弱正弦波信号采样，

19、并将采集到的模拟信号送入A/D转器处理得到数字量（即峰值），最后控制液晶显示器输出改峰值。3.2程序流程图系统的程序流程图如图3.2所示：开始数据转换处理显示正弦波峰值MSP430初始化正弦波信号采集 结束图3.2 系统电路原理图第四章 系统测试与仿真4.1 硬件测试4.2 软件仿真测试加法器的频率响应如图4.2.1（a）所示4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)2V档信号测试结果好下表所示： （单位/V）4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下结论：1、2、3、综上所述，本设计达到设计要求。第五章 设计总

20、结 通过。参考文献1 梅丽凤，王艳秋，汪毓铎，任国臣.单片机原理及接口技术第三版.北京：北京清华大学出版社，2009:212-2232 胡亚琦.单片机原理及应用系统设计.西安：西安电子科技大学出版社，2010:294-2973 张毅刚，彭喜元.单片机原理与应用设计.北京：电子工业出版社，2008:21-244 何立民.单片机应用技术选编.北京：北京航空航天大学出版社，2003:91-955 李立国.单片机控制与设计.北京：清华大学出版社，2007:154-1516 于时亮，张友德.单片微机控制技术第三版.上海：复旦大学出版社，2008:78-817 李广弟，朱月秀.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，2008:29-378 康华光.电子技术基础模拟部分.北京：高等教育出版社，2009:157-1639 陈浩全.温度控制设计与应用.上海：复旦大学出版社，2003:269-27310 谭浩强.单片机程序设计.北京：清华大学出版社，2002:129-1511 张国雄.测控电路.北京：机械工业出版社，2011:245-248 附录1：电路原理图附录2：源程序