電子技術(shù)方面的論文 高精準弱信號檢測設(shè)備

    　摘 要

　　微弱信號檢測是利用近代電子學(xué)和信號處理方法從噪聲中提取有用信號，其關(guān)鍵在于抑制噪聲, 恢復(fù)、提取有用信號。本文介紹的是一種利用鎖相放大原理，檢測出淹沒在強噪聲下的微弱信號的裝置。實驗結(jié)果表明該裝置可以實現(xiàn)對不同頻率信號的識別和檢測，具有很高的精度。

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

　　1 引言

　　微弱信號檢測( 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。微弱信號檢測技術(shù)是采用電子學(xué)、信息論、計算機及物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號和噪聲的統(tǒng)計特性及其差別，檢測被噪聲淹沒的微弱有用信號。


　　2 原理分析

　　在檢測中對噪聲的處理是非常重要的，對于微弱信號檢測來說，如能有效克服噪聲，就可以提高信號檢測的靈敏度。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，簡稱PSD)，實際上它是一個乘法器。加在輸入端的信號經(jīng)濾波器后加到PSD 的一個輸入端。在PSD 的參考輸入端加一個與被測信號頻率相同的正弦波(或方波)信號。在正常工作情況下，參考信號的基波頻率與被測信號的頻率是相等的。這時PSD 的輸出信號中含有直流成分, 經(jīng)低通濾波器后，PSD 輸出信號中的交流成分被濾去，只有直流成分的輸出，大小與輸入信號和參考信號的相位差有關(guān)。

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

　　3 總體設(shè)計方案

　　電子論文本文采用鎖相放大法，把待檢測的信號中與參考信號同步的信號放大并檢測出來。即使有用的信號被淹沒在噪聲信號里面，但是只要知道有用信號的頻率值，就能準確地測量出這個信號的幅值，且其輸出為正比于輸入波形幅值的直流信號。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，適合對各種微小信號進行放大。鎖相放大模塊采用專用相敏檢波芯片AD630，后接低通濾波器來實現(xiàn)濾波，經(jīng)ADS8505 模塊采樣，最后用液晶顯示測量數(shù)據(jù)。

　　4 主要部分電路實現(xiàn)

　　4.1 參考信號通道電路

　　該模塊的主要功能是將不同頻率的參考信號移相90°。如果采用簡單的RC 串聯(lián)移相電路，由于相移θ= tan-1ωRC，針對不同頻率的信號，R、C 參數(shù)將需要不停變化，對于調(diào)節(jié)工作來說十分不便。因而本文采用微分電路來實現(xiàn)移相特性。其輸出Vo 為：. 選用一般單運放芯片OPA227即可實現(xiàn)功能，由于輸入信號頻率范圍較大，單一的RC 取值不能很好滿足要求，因此對于大于1kHz 的信號取R=1K，C=0.1uF，小于等于1kHz 的信號，取R=1k，C=1uF，通過開關(guān)控制來實現(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，一個芯片的輸入端接入同相參考信號，另一個芯片的輸入端接入正交參考信號。兩片的輸出端各接一個低通濾波器，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)同時改變參考信號和被測信號的頻率值，觀察測量值。


　　5.2 測試結(jié)果

　　經(jīng)過測試，該檢測裝置可以識別的正弦波信號頻率范圍為100Hz~1MHz�？梢员蛔R別的最小信號幅度可以達到20mV。此時，動態(tài)儲備(Dynamic Reserve)可以達到37dB(噪聲源輸出的均方根電壓值為1V±0.1V)。這里，動態(tài)儲備定義為最大“可容忍”的噪聲相對于滿擺幅信號(測量精度小于3%)的比值。

　　6 結(jié)論

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

　　參考文獻

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