微弱信号检测

微弱信号检测电路实验报告微弱信号检测电路实验报告 课程名称 课程名称 微弱信号检测电路微弱信号检测电路 专业名称 专业名称 电子与通信工程电子与通信工程 年年 级 级 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 精品文档 2欢迎下载 任课教师 任课教师 微弱信号检测装置微弱信号检测装置 摘摘 要 要 本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置 用来检测在强噪 声背景下 识别出已知频率的微弱正弦波信号 并将其放大 该系统由加法器 纯电阻分压网络 微弱信号检测电路组成 其中加法器和纯电阻分压网络生成 微小信号 微弱信号检测电路完成微小信号的检测 本系统是以相敏检波器为 核心 将参考信号经过移相器后 接着通过比较器产生方波去驱动开关乘法器 CD4066 最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号 经最终的测试 本系统能较好地完成微小信号的检测 关键词 关键词 微弱信号检测 锁相放大器 相敏检测 强噪声 精品文档 3欢迎下载 1 1 系统设计系统设计 1 1 设计要求 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 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 1 基本要求 1 噪声源输出VN的均方根电压值固定为 1V 0 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 2 微弱信号检测电路的输入阻抗Ri 1 M 3 当输入正弦波信号VS 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 2 发挥部分 1 当输入正弦波信号VS 的幅度峰峰值在 20mV 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 2 扩展被测信号VS的频率范围 当信号的频率在 500Hz 2kHz 范围内 检测并显示正弦波信号的幅度值 要求误差不超过 5 精品文档 4欢迎下载 3 进一步提高检测精度 使检测误差不超过 2 4 其它 例如 进一步降低VS 的幅度等 精品文档 5欢迎下载 1 2 方案比较与选择 方案一 采用滤波电路检测微小信号 通过滤波电路将微小信号从强噪声 中检测出来 但滤波电路中心频率是固定的 而信号的频率是可变的 无法达 到要求 所以该方案不可行 方案二 采用取样积分电路检测小信号 利用取样技术 在重复信号出现 的期间取样 并重复 N 次 则测量结果的信噪比可改善倍 但这种方法取N 样效率低 不利于重复频率的信号恢复 方案三 采用锁相放大器检测小信号 锁相放大器由信号通道 参考通道 和相敏检波器等组成 其中相敏检波器 PSD 是锁相放大器的核心 PSD 把从 信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流 只有当同频同相时 输出电流最大 具有很好的检波特性 由于该测试信号的频率是指定的且噪声 强 信号弱 正好适合于锁相放大器的工作情况 故选择方案三 2 2 电路设计电路设计 1 1 加法电路加法电路 一 交流放大与噪声的施加 微弱信号通常被大幅值的噪声信号淹没 本项目中模拟产生一个微弱信号 并将其与噪声叠加 图 1 采用了同相加法电路 芯片选用 OPA227P 噪声源采 用虚拟仪器 Agilent 函数发生器产生 设置将 Agilent 函数发生器的噪声 峰峰值设为 4V 信号源设为 200mV 频率设为 1k Hz 示波器测量加法器的输 出 其输出信号如图 2 所示 精品文档 6欢迎下载 图 1 同相加法电路 图 2 信号与噪声叠加输出波形 2 2 纯电阻衰减电路纯电阻衰减电路 本项目是微弱信号的检测 所以需要将上述叠加有噪声的信号用纯电阻分 压衰减 衰减后的输出信号 才是本项目要检测的微弱信号 纯电阻衰减倍数 为 2 200 2 101 电路如图 3 所示 R26R24 24R Au 精品文档 7欢迎下载 图 3 纯电阻衰减电路 3 3 INA128pINA128p 放大电路放大电路 INA128 是低功耗高精度的通用仪表放大器 用于纯电阻衰减后的第一级 微弱信号检测电路中 多级放大中的第一级放大倍数要高 而且必须为低噪声 运放 这样放大电路产生的噪声才低 本设计中放大倍数设计的是 当 Rg 250 时 放大 201 倍 电路如图 4 所示 图 4INA128 放大电路 精品文档 8欢迎下载 4 4 带通滤波电路带通滤波电路 Mutism13 1 软件自带有带通电路设计功能 在带通滤波电路中 由一个二 阶低通滤波器和一个二阶高通滤波器级联构成 有源带通滤波器选择契比雪夫 滤波器 低通截止频率为 200Hz 高通截止频率 7 5KHz 即带宽为 200 7 5kHz 生成电路如图 5 所示 用波特仪观察幅频特性在 1KHz 处放大 1 倍 在 200Hz 和 7 5Khz 处衰减到 0 707 倍 衰减 3dB 使用虚拟仪器波特测试仪幅频 特性如下图 6 所示 图 5 带通滤波电路 图 6 幅频特性图 5 5 直流放大电路直流放大电路 直流放大电路采用反相放大 分别是 2 倍和 20 倍 为使得误差小于 5 精品文档 9欢迎下载 分别设计了实现 B 倍和 10B 倍放大 芯片采用 OPA2227 反相放大 电路图如图 7 所示 该设计中只用到了 10B 放大 图 7 直流放大电路 6 6 A A 倍和倍和 A A 倍放大电路倍放大电路 运放选择 OPA2227P 芯片做一倍反相放大 1 倍 为相敏检测 S2 输入与 S1 信 号相差 180 的正弦信号 电路图如图 8 所示 图 8 A 倍放大电路 精品文档 10欢迎下载 7 7 乘法器相敏检测电路乘法器相敏检测电路 相敏检测器是锁定放大器的关键部件 完成被测信号与参考信号的相乘运 算 即乘法器 实现频谱的迁移 相敏检测采用芯片选用 CD4066 双向模拟开 关 当参考信号为方波时 经过相敏检测后 电路图如图 9 所示 图 9 CD4066 相敏检测电路及输出波形 8 8 参考通道中的放大电路参考通道中的放大电路 放大电路在 1B 和 10B 处采用的反相放大 参考通道中也同样需要反相 才 能使波形相近 电路采用 TL084IN 做运放 放大 10 倍 电路如图 10 所示 图 10 参考通道中的放大电路 精品文档 11欢迎下载 9 9 移相电路移相电路 参考通道中移相采用 TL084IN 运放 要求 本系统采用的是 1 9 8 CR R R 0 180 移相 本电路在调节滑动变阻器后需关闭仿真后重新打开仿真才能看 到移相的效果 电路图如图 11 所示 图 11 0 180 移相电路 10 10 参考通道中的方波驱动参考通道中的方波驱动 参考通道中的方波驱动采用 OPA2277P 运放 电路图如图 12 所示 输出波 形如图 13 所示 精品文档 12欢迎下载 图 12 参考通道中的方波驱动 图 13 方波输出波形 11 11 低通滤波电路低通滤波电路 低通电路作用起低通滤波作用 时间常数 RC 0 1s 根据 f 1 2 RC 越大 通频带宽度才会窄 抑制噪声能力强 该电路中截止频 率为 1Hz 输出 1电路如图 14 所示 cos 2 rs o VV tu cos 精品文档 13欢迎下载 图 14 低通滤波电路 3 3 仿真分析仿真分析 1 1 仿真分析仿真分析 检测信号峰值 0 05mV 频率为 1KHz 时 直流放大倍数为 1 倍 各检测点波 形图如下 1 加法器和纯电阻分压后的输出波形 精品文档 14欢迎下载 通道 A 波形为信号通过加法器的输出波形 通道 B 为信号通过纯电阻分压 网络后输出波形 2 A 倍和 A 倍放大电路 通道 A 为 A 倍放大 通道 B 为 A 倍放大 3 参考通道的方波 精品文档 15欢迎下载 4 IN1 和 S1 信号经波特图相位相差约 0 5 相敏检测器输出波形 CD4066 输出端波形 2 2 无噪声分析无噪声分析 1 低通滤波器输出 精品文档 16欢迎下载 0 1s 数据分析为 0 5 0 8s 后 数据达到平衡 2 噪声分析 总噪声功率为 20 倍放大 29V 10197 噪声电压为 0 44mV 最小可检测电压 0 44mV 精品文档 17欢迎下载 3 3 加入噪声分析加入噪声分析 噪声输入峰峰值电压为 4V 1 低通滤波器输出 2 噪声分析 总噪声功率为 20 倍放大 29V 10197 噪声电压为 0 44mV 精品文档 18欢迎下载 最小可检测电压 0 44mV 4 4 放大范围分析放大范围分析 无噪声时 放大分析输入幅值 200mV 1Khz 正弦信号 分析如下 理论 0 2V 1 101 201 20 2 5 09V 实际 5 02V 相对误差 1 39 以 1KHz 200mV 做信号源 测量输出为 5 09V 放大 25 45 倍 为保证系统 放大误差在 5 以内 经测算该系统在无噪声下 输出放大范围约为 20 450mV 无噪声和有噪声列出图表如下 当输入信号为 1KHz 时不同的输入信号得到的结果如下表 输入信号峰值20mV 10B 50mV 10B 200mV 10B 400mV 10B 450mV 10B 低通输出信号有 效值和误差 无 噪声 482mV 5 38 1 24V 1 6 5 02V 1 39 10 03V 1 49 10 87V 5 3 低通输出信号有 效值 有噪声 426mV1 05V5 01V9 34V10 10V 同理 当输入信号为 500Hz 时不同的输入信号得到的结果如下表 输入信号峰值20mV 10B 50mV 10B 200mV 10B 400mV 10B