A题-微弱信号检测装置

1、20122012年年1515省赛区大学生电子设计省赛区大学生电子设计TITI杯竞赛杯竞赛 试题解析试题解析 微弱信号检测装置（微弱信号检测装置（A A题）题） 张国平张国平 华中师范大学物理科学与技术学院华中师范大学物理科学与技术学院 1 微弱信号检测技术 v滤波（如：匹配滤波器）滤波（如：匹配滤波器） v相关检测（如：锁相放大器）相关检测（如：锁相放大器） v平均（如：取样积分器）平均（如：取样积分器） Lock-in amplifiers（锁定放大器）（锁定放大器） 用来检测微弱的交流信号。利用互相关原理，用来检测微弱的交流信号。利用互相关原理， 使输入待测的周期信号与频率相同的参考信号在

2、相使输入待测的周期信号与频率相同的参考信号在相 关器中实现互相关，从而将深埋在噪声中的周期信关器中实现互相关，从而将深埋在噪声中的周期信 号携带的信息检测出来。号携带的信息检测出来。 2 锁相放大器 例如：例如：正弦信号：正弦信号：10 nV10KHz，增益为，增益为1000 输入噪声（噪声电压密度）输入噪声（噪声电压密度） ：5 nV/ Hz 带宽带宽输出正弦信号输出正弦信号输出噪声信号输出噪声信号 低噪放大器低噪放大器100kHz 低噪放大器低噪放大器+ 带通滤波带通滤波 100Hz 锁相放大器锁相放大器0.01Hz mV kHzHznV 6 . 11000 100/5 V HzHznV

3、501000 100/5 V HzHznV 5 . 01000 01. 0/5 V nV 10 100010 V nV 10 100010 V nV 10 100010 PSD: phase-sensitive detection )cos( 2 1 rsrspsd VVV )cos( 2 1 )cos( 2 1 )sin()sin( rsrsrs rsrsrs rrssrspsd tVV tVV ttVVV 当当 s = r 时时: 锁相放大器的工作原理 )sin( sss tV )sin( rrr tV LPF Vpsd XVVV rsrspsd )cos( 2 1 1 双通道锁相放大器

4、PSD2 )sin( sss tV )90sin( rrr tV LPF Vpsd2 YVVV rsrspsd )(sin 2 1 2 rs rs X Y VVYXR arctan 2 1 22 功能框图功能框图 正弦波正弦波 信号源信号源 微弱信号微弱信号 检测电路检测电路 噪声源噪声源 VS VN VC Vo 纯电阻纯电阻 分压网络分压网络 显示显示 电路电路 加法加法 器器 Vi A B C D E 一、任务一、任务 设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率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，数字显示出该幅度值。

5、为便于测评比较，统一的微弱正弦波信号的幅度值，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（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，通过文件）来产生，通过PC 机的音频播放器或机的音频播放器或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。图中度通过调节播放器的音量来进行控制。图中A、B、C、D和和E分别为五个测分别为五

6、个测 试端点。试端点。 3 微弱信号检测装置（A题） 正弦波正弦波 信号源信号源 微弱信号微弱信号 检测电路检测电路 噪声源噪声源 VS VN VC Vo 纯电阻纯电阻 分压网络分压网络 显示显示 电路电路 加法加法 器器 Vi A B C D E 1. 基本要求基本要求 （1）噪声源输出）噪声源输出VN的均方根电压值固定为的均方根电压值固定为1V 0.1V；加法器的输出；加法器的输出 VC =VS+VN，带宽大于，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于；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）微弱信号检测电路的输入阻抗 Ri 1 M 。 （3）当输

7、入正弦波信号）当输入正弦波信号VS 的频率为的频率为1 kHz、幅度峰峰值在、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%。 正弦波正弦波 信号源信号源 微弱信号微弱信号 检测电路检测电路 噪声源噪声源 VS VN VC Vo 纯电阻纯电阻 分压网络分压网络 显示显示 电路电路 加法加法 器器 Vi A B C D E 2. 发挥部分发挥部分 （1）当输入正弦波信号）当输入正弦波信号VS 的幅度峰峰值在的幅度峰峰值在20mV 2V范围内时，范围内时， 检检 测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过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）扩展被测信号VS的频率范围，当信号的频率在的频率范围，当信号的频率在500Hz 2kHz范范 围内，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过围内，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 （3）进一步提高检测精度，使检测误差不超过）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）其它（例如，进一步降低VS