電子技術(shù)方面的論文 高精準(zhǔn)弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備

    　摘 要

　　微弱信號(hào)檢測(cè)是利用近代電子學(xué)和信號(hào)處理方法從噪聲中提取有用信號(hào)，其關(guān)鍵在于抑制噪聲, 恢復(fù)、提取有用信號(hào)。本文介紹的是一種利用鎖相放大原理，檢測(cè)出淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲下的微弱信號(hào)的裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率信號(hào)的識(shí)別和檢測(cè)，具有很高的精度。

　　【關(guān)鍵詞】微弱信號(hào)檢測(cè) 鎖相放大 高精度檢測(cè) 電子技術(shù)方面的論文

　　1 引言

　　微弱信號(hào)檢測(cè)( Weak Signal Detection) 是一門新興的技術(shù)學(xué)科，應(yīng)用范圍遍及光、電、磁、聲、熱、生物、力學(xué)、地質(zhì)、環(huán)保、醫(yī)學(xué)、激光、材料等領(lǐng)域。其儀器已成為現(xiàn)代科學(xué)研究中不可缺少的設(shè)備。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性及其差別，檢測(cè)被噪聲淹沒(méi)的微弱有用信號(hào)。


　　2 原理分析

　　在檢測(cè)中對(duì)噪聲的處理是非常重要的，對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，如能有效克服噪聲，就可以提高信號(hào)檢測(cè)的靈敏度。下面主要介紹鎖相放大法。

　　2.1 鎖相放大法

　　鎖相放大法的核心部分是相敏檢波器(phase sensitive detector，簡(jiǎn)稱PSD)，實(shí)際上它是一個(gè)乘法器。加在輸入端的信號(hào)經(jīng)濾波器后加到PSD 的一個(gè)輸入端。在PSD 的參考輸入端加一個(gè)與被測(cè)信號(hào)頻率相同的正弦波(或方波)信號(hào)。在正常工作情況下，參考信號(hào)的基波頻率與被測(cè)信號(hào)的頻率是相等的。這時(shí)PSD 的輸出信號(hào)中含有直流成分, 經(jīng)低通濾波器后，PSD 輸出信號(hào)中的交流成分被濾去，只有直流成分的輸出，大小與輸入信號(hào)和參考信號(hào)的相位差有關(guān)。

　　基于由DDS 產(chǎn)生的正弦參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)間的相位差未知，我們決定增加移相電路，將參考信號(hào)分解為同相和正交分量，分別與被測(cè)信號(hào)相乘。假設(shè)他們之間相位差為φ。正交分量與被測(cè)信號(hào)相乘后, 經(jīng)過(guò)低通濾波，得到直流分量。與同相分量和被測(cè)信號(hào)相乘的結(jié)果平方再相加開(kāi)方后，即可得到與被測(cè)信號(hào)的幅值成正比的直流分量。雙路鎖相放大法的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，輸出信號(hào)與相位差無(wú)關(guān)，可以得到穩(wěn)定的直流分量，測(cè)量精度可以很高�；�于此，本文所介紹的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置采用這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　3 總體設(shè)計(jì)方案

　　電子論文本文采用鎖相放大法，把待檢測(cè)的信號(hào)中與參考信號(hào)同步的信號(hào)放大并檢測(cè)出來(lái)。即使有用的信號(hào)被淹沒(méi)在噪聲信號(hào)里面，但是只要知道有用信號(hào)的頻率值，就能準(zhǔn)確地測(cè)量出這個(gè)信號(hào)的幅值，且其輸出為正比于輸入波形幅值的直流信號(hào)。前置放大器模塊采用INA118 芯片，它具有精度高、功耗低和共模抑制比高等優(yōu)點(diǎn)，適合對(duì)各種微小信號(hào)進(jìn)行放大。鎖相放大模塊采用專用相敏檢波芯片AD630，后接低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波，經(jīng)ADS8505 模塊采樣，最后用液晶顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。

　　4 主要部分電路實(shí)現(xiàn)

　　4.1 參考信號(hào)通道電路

　　該模塊的主要功能是將不同頻率的參考信號(hào)移相90°。如果采用簡(jiǎn)單的RC 串聯(lián)移相電路，由于相移θ= tan-1ωRC，針對(duì)不同頻率的信號(hào)，R、C 參數(shù)將需要不停變化，對(duì)于調(diào)節(jié)工作來(lái)說(shuō)十分不便。因而本文采用微分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)移相特性。其輸出Vo 為：. 選用一般單運(yùn)放芯片OPA227即可實(shí)現(xiàn)功能，由于輸入信號(hào)頻率范圍較大，單一的RC 取值不能很好滿足要求，因此對(duì)于大于1kHz 的信號(hào)取R=1K，C=0.1uF，小于等于1kHz 的信號(hào)，取R=1k，C=1uF，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)RC 取值的切換。

　　4.2 相敏檢波器電路

　　相敏檢波電路部分使用兩片AD630芯片，一個(gè)芯片的輸入端接入同相參考信號(hào)，另一個(gè)芯片的輸入端接入正交參考信號(hào)。兩片的輸出端各接一個(gè)低通濾波器，最終產(chǎn)生所需的直流分量。具體的相敏檢波電路如圖1 所示。量值。

　　(4)同時(shí)改變參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)的頻率值，觀察測(cè)量值。


　　5.2 測(cè)試結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)測(cè)試，該檢測(cè)裝置可以識(shí)別的正弦波信號(hào)頻率范圍為100Hz~1MHz�？梢员蛔R(shí)別的最小信號(hào)幅度可以達(dá)到20mV。此時(shí)，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備(Dynamic Reserve)可以達(dá)到37dB(噪聲源輸出的均方根電壓值為1V±0.1V)。這里，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備定義為最大“可容忍”的噪聲相對(duì)于滿擺幅信號(hào)(測(cè)量精度小于3%)的比值。

　　6 結(jié)論

　　本文提出的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置采用雙路鎖相放大法來(lái)提高微弱信號(hào)的輸出信噪比，適用于較大噪聲背景下的弱信號(hào)檢測(cè)，計(jì)算量小，檢測(cè)快速。本方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用移相網(wǎng)絡(luò)和雙路鎖相增益放大，以AD630 芯片為核心，有效地解決了被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)間的頻率差和相位差，達(dá)到了較為良好的精度。

　　參考文獻(xiàn)

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