微弱信號檢測裝置的設計

張仕奇

摘 ?要：本設計作為微弱信號檢測裝置，可應用于強噪聲干擾背景下檢測已知頻率的微弱正弦波信號。系統主要由正弦波與噪聲源加法器、純電阻分壓網絡、微弱信號檢測電路、幅值顯示電路四部分組成，以MSP430 MCU為控制處理器的顯示電路通過A/D采樣將有效值采集并轉換為信號幅度值顯示在128*64液晶顯示屏上，人機交換界面良好。經過測試，系統的各項測試指標達到預期指標，工作性能穩定。

關鍵詞：微弱信號檢測;單元電路設計;MSP430;系統測試

中圖分類號：TH85+5 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2016）03-0006-02

1 ?整體方案設計

1.1 ?系統框架

本系統主要由加法器、純電阻分壓網絡、微弱信號檢測電路、顯示電路四部分組成，系統框架圖，如圖1所示。

1.2 ?理論分析與計算

噪聲源輸出VN的均方根電壓值固定為1 V±0.1 V，正弦波信號的峰峰值Vs在200 mV～2 V范圍內，加法器輸出Vc=2√2VN+Vs（便于測量取峰峰值）。純電阻分壓網絡采用Π型網絡，該網絡具有電路簡單，噪聲小，幅度呈線性衰減，波形不會產生畸變等優點。

衰減倍數（dB）=20log（），R2=（1）

Π型網絡衰減器，如圖2所示。

微弱信號檢測電路前級部分應滿足高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移的要求，采用儀表放大芯片，因其具有較高的共模輸入抑制能力，共模抑制比大，電路連接簡單，只需一個外接電阻就可以調節增益。

增益計算公式：

G=1+。

由于人為加入噪聲信號，故對濾波電路有極高要求，此部分設計采用邊濾波邊放大的設計思想，先經過帶通濾波，然后放大10倍，再低通濾波，再放大2倍，再低通濾波。經過多次濾波將噪聲信號盡可能的減小。

1.3 ?加法器電路

本部分電路用于噪聲源和被測信號的合成，設計要求“加法器的輸出VC =VS+VN”，我們可以采用以下兩種方案實現該部分功能：

若采用同相求和運算電路，則由于同相求和運算電路各輸入電壓的系數涉及電路中所有電阻，其中有些電阻的取值互相制約，調試工作復雜，工程上很少采用，故采用反相求和運算電路。與同相求和運算電路相比，反相求和運算電路易于設計和調試。芯片選用TI公司的OPA134精密運放芯片。

1.4 ?純電阻分壓網絡

本部分電路用于噪聲源和被測信號的衰減，為后級電路產生和提供微弱信號，設計要求“純電阻分壓網絡的衰減系數不低于100”，即：衰減增益應大于或等于40 dB。我們采用π型衰減網絡實現對Vc衰減100倍。該網絡不僅能實現精確的衰減而且有良好的阻抗匹配特性，對前后級還有一定的隔離作用。

本設計中，我們采用方案二，元器件選用精度為0.1%的精密電阻。

1.5 ?微弱信號檢測電路

本部分電路有兩大作用：①濾除噪聲，便于有用信號的提取;②放大信號，彌補前級的衰減，為后級幅值測量提供大信號。由于設計前提給定的噪聲很大，故所選用的濾波器必須具有極強的窄帶濾波性能。我們采用高階巴特沃斯濾波器。因考慮到設計要求的高陡降系數，故我們必須選用階數很高的濾波器。通過音頻分析軟件對給定的噪聲文件進行分析，我們得知該噪聲文件的左聲道中心頻率約為11.8 kHz，右聲道中心頻率約為15 kHz，通過示波器粗測，該噪聲的頻率通常在4.5 kHz以上，而被測信號的頻率范圍為500～2 000 Hz。若我們選擇2 kHz為低通濾波器的截止頻率，在4.5 kHz頻率處衰減50 dB，通過公式計算得到，我們采用七階（或以上）的濾波器可以滿足要求。

2 ?模塊電路設計

2.1 ?加法器模塊硬件設計

以OPA134為核心建立反相求和運算電路，通過電阻Rf引入電壓并聯負反饋。該芯片增益帶寬為8 MHz，滿足題目大于 ? ?1 MHz的要求。有下式表示：

U0=-（Ui1+Ui2） （2）

計算出R1=2K，R2=2K，Rf=2K，R3=R1//R2//Rf≈667 ？贅。反相求和運算電路原理圖，如圖3所示。

2.2 ?微弱信號檢測電路

2.2.1 ?儀表放大電路

儀表放大電路圖，如圖4所示。

2.2.2 ?帶通濾波電路

帶通濾波電路，如圖5所示。

2.3 ?有效值測量模塊

本電路采用專門用于有效值測量的AD637芯片，它是一款高精度寬帶集成真有效值轉換器。可計算任何負載波形的真有效值。它提供集成電路有效值直流轉換器前所未有的性能，精度，帶寬和動態范圍。寬帶寬允許測量200 mV有效值，頻率最高達600 kHz的輸入信號以及1 V有效值以上，頻率最高達8 MHz的輸入信號。Cav電容的值決定低頻精度，紋波電平和建立時間。真有效值計算公式：

Vrms=Avg■（3）

3 ?程序設計

顯示部分是基于TI M430G2552芯片和CCS系統開發。M430G2552是16位，具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內資源豐富等特點。有效值測量我們選用的是AD637，它是一款高精度真有效值轉換器，可以計算各種復雜波形的真有效值，使用簡單，調整方便，穩定時間短，讀數準確，唯一的外部調整元件為平均電容CAv，它影響到輸出穩定時間、低頻測量精度、輸出紋波大小。AD采樣部分我們選用的是ADS7816，它是12位的200 KZ采樣速率的模數轉換器，采樣精度很高，適合小信號的采樣處理。數據顯示用的是12 864，內置8 192個16*16點漢字，利用該模塊靈活的接口方式和簡單方便的操作指令完成圖形和漢字顯示，另外低電壓和低功耗又是一個顯著特點。軟件設計主要完成系統初始化、啟動A/D采樣、M430G2552對采樣數據的處理、幅值的液晶顯示和簡單的延時功能。

4 ?系統測試

由信號發生器輸入正弦波信號VS的頻率為1 kHz、幅度峰峰值在200 mV～2 V范圍內， ?檢測并顯示正弦波信號的幅度值，測試數據以頻率=1 KHz為測試條件進行測試，測試表格，見表1。

為提高設計精度，再次輸入正弦波信號VS 的幅度峰峰值在20 mV～2 V范圍內時， 檢測并顯示正弦波信號的幅度值，以頻率等于1 kHz作為測試條件 。測試數據，見表2。

5 ?結 ?語

本設計所涉及到的各個單元電路，是經過嚴格論證和計算機仿真得到的結果，實驗數據證明：所用設計方案正確，設計結果令人滿意。由此可見，對電子產品的設計，必須要經過嚴格的方案分析和計算論證，還要經過細致的調試和嚴格的測試，方可成為一個性能優越，工作穩定的系統。

參考文獻：

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