應用FPGA和MSP430設計的微弱信號檢測儀

楊志東 程宇 劉同同 盧雲成

摘 要：本系統是基于鎖定放大器的微弱信號檢測裝置，用來檢測在強干擾信號背景下已知頻率的微弱正弦波信號的有效值，核心是鎖定放大器的設計。該系統由π型衰減網絡、加法器、微弱信號檢測電路和顯示電路組成。其中加法器和π型衰減網絡生成所需微小信號，微弱信號檢測電路和顯示電路完成微小信號的檢測并顯示在液晶屏上。本系統是以鎖定放大器為核心，將經衰減網絡衰減產生的正弦參考信號經過放大整形后，接著通過由FPGA與MSP430組成的數字移相網絡產生相位步進的方波去驅動開關乘法器，最后通過低通濾波器輸出直流信號，該直流信號通過單片機進行處理并自動顯示最終結果。本系統集成度高，能夠精確、快速地實現對微弱信號的檢測。

關鍵詞：微弱信號；可調增益交流放大器；數字移相網絡；ADS1118

Abstract：The system is based on lock-in amplifier of weak signal detection means for detecting a valid value of the given frequency sine wave signal in the strong interference signals background，of which the core is lock-in amplifier design.The system consists of π-type attenuator network， the adder， the weak signal detection circuit and display circuit， while adders and π-type attenuator network to produce the desired small signal， detection circuit and display circuit to complete small signal detection and display the results on the LCD screen. The system is based on lock-in amplifier as the core， through attenuation network sinusoidal reference signal attenuation resulting amplified after shaping， followed by a number from FPGA and MSP430 composition phase shift network produces a square wave phase stepper，which drives switch to the multiplier， and finally the low-pass filter output DC signal， which is then processed by the microcontroller and automatically displays the final result. The system is highly integrated， can accurately and quickly realize the detection of weak signals.

Key words：weak signal；adjustable gain AC amplifier；digital phase shift network；ADS1118

在現代科學研究及工程實踐中經常需要對毫微伏級的微弱信號進行測量，由于微弱信號本身的漲落、背景和放大器噪聲的影響，測量靈敏度容易受到限制，所以必須在強噪聲中對有用的微弱信號進行提取并加以放大。

本系統采用新型鎖相檢測方法，將模擬和數字處理方法有機結合，以FPGA和單片機MSP430F6638為控制核心，采用相敏檢波的方法，主要通過鎖定放大器對微弱信號進行處理，極大地減小了噪聲干擾，從而大大提高了微弱信號檢測的精度。

1 系統總體設計

本系統以FPGA和單片機MSP430F6638為控制核心，包括衰減器、加法器、前置交流放大電路、帶通濾波器、同相電路、反相電路、移相器、開關電路和低通濾波器部分；具體實現方框圖如圖1所示。

待測信號與噪聲信號可經由不同的衰減網絡衰減得到，其中由同相放大電路構成的加法器將噪聲信號加到待測信號中，送到交流放大電路，之后經帶通濾波進行初次濾波，濾除部分噪聲信號，最后經過由同相、反相、移相、開關乘法器和低通濾波器構成的相敏檢波模塊，輸出直流信號。

系統電路以鎖定放大器為核心，將輸入的參考信號經過放大整形和數字移相網絡，利用其輸出的方波驅動開關乘法器。系統輸出直流信號通過ADS1118傳送給單片機，經單片機處理后在液晶屏上顯示出待測微弱信號的峰值。

2 方案設計

2.1 微信號交流放大

本系統初期采用固定增益的兩級放大電路，第一級40倍，第二級50倍，該增益對于28uvpp-2.8mvpp的微小信號具有較好效果。但當加入噪聲信號后，2000倍的放大將會導致部分范圍信號截止失真從而無法采集真實的信號有效值。

最終系統采用增益可調的兩級放大電路。由于信號大小范圍不同，所以選取增益分別為2000和200的放大比，并由開關控制反饋電阻的接通從而控制增益，這樣在不同范圍內的小信號經放大后均不會出現失真，取得了較好的放大效果。

2.2 數字移相網絡

全通濾波器模擬移相電路。采用一階全通濾波器的移相范圍接近180度，所以通過設計兩級濾波則可使移相范圍達到360度。

數字移相網絡。數字移相網絡通過將整形放大后的方波送入FPGA，檢測其信號的上升沿并判斷MSP430給出的延時控制字，延時一段時間后輸出一個高電平，再延時1KHz方波的半個周期，然后輸出一個低電平，直到檢測下一個信號的高電平來臨。依此循環，輸出一個1KHz的方波。通過這種方法，能夠將方波占空比精確調整為1：1，并且可精確實現360°連續可調和任意步進相位調節，從而為掃相提供精確的相位可變的方波。

兩者相比之下，雖然數字移相法的系統復雜度增加，但卻能產生較精準的占空比為1：1的方波，而且可相位連續調節，步進間隔小且能夠自動掃相，相比于模擬電路方法實現更加可靠。

2.3 鎖定放大器設計

鎖定放大器由信號通道、參考通道、相敏檢波器以及輸出電路組成，是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻、同相的干擾信號有響應。所以它能大幅度抑制干擾信號，提取出有用信號。由此可見，鎖相放大器具有極強的抗噪聲能力。它和一般的帶通放大器不同，輸出信號并不是輸入信號的放大，而是把交流信號放大并變成相應的直流信號。

相敏檢波器分為模擬乘法器和開關式乘法器，本設計采用開關式乘法器CD4053。相敏檢波器（PSD）的本質其實就是對兩個信號之間的相位進行檢波，當兩個信號同頻同相時，這時相敏檢波器相當于全波整流，檢波的輸出最大。其中圖2為相敏檢波器的基本框圖。

3 相關硬件電路設計

3.1 信號混合加法電路模塊

加法器采用高精度、低失調精密放大器OPA277，失調電壓低至0.025mv，且具有極高的共模抑制比，能夠最大程度地抑制前級噪聲，減小對后級的影響。并且由于失調電壓小，它能很好地解決了因失調電壓經高倍放大所帶來的截止失真的問題，經理論計算與實際測量可達到vo=vs+vn的信號相加效果，電路簡單可靠。

3.2 前級交流放大電路模塊

由于信號極其微弱易受噪聲影響，本設計選用放大器的增益較高、處理頻段較低，運放應選取低噪聲、低失調的精密運放，同時應考慮增益帶寬積合適。我們采用兩級運放實現前級放大。

第一級選取低噪聲、高精度運放OPA228，其噪聲電壓密度為3nV/，帶寬為33MHz。由于其為電壓反饋型運放，增益增大時頻寬變窄，用它來構建小信號的高增益放大器，可以較好地抑制噪聲，設置增益為50。同時為避免直流信號對后級影響，輸出時進行隔直。

第二級同樣選取OPA228，改變反饋電阻的大小從而實現增益分別為4倍和40倍的放大，以滿足對于不同大小范圍的疊加信號的放大，因為恰當的放大能夠很好地提高后級直流檢測的精度，放大不當則會出現信號截止失真從而無法獲取信號真實大小。

電路均采用同相放大接法，其輸入阻抗高的特性有利于小信號的提取，并且有效抑制共模干擾，電路圖如上圖4。

3.3 帶通濾波器模塊

將低通濾波器與高通濾波器串聯，就可以得到帶通濾波器，因為輸入信號的頻率范圍為900Hz～1.1K，所以帶通濾波器的通帶必須包含這個頻率范圍，代入參數可得帶通濾波器電路為圖5。在設計濾波器時，采用了TI專業的濾波器設計軟件FilterPro，并將所得電路在TINA中進行仿真及參數修改，以便于實際焊接。

3.4 相敏檢波器模塊

帶通濾波器的輸出VOUT1同時經過同相和反相跟隨器后，輸入到開關乘法器CD4053；然后另一路將參考電源VREF先經過放大整形，接著經過數字移相網絡，然后經過方波驅動電路即非門，得到5V電壓方波去驅動CD4053，相敏檢波后的輸出經過低通濾波器即可得到與信號幅值相關的直流信號，從而得到了微弱信號的幅值。具體電路為圖6。

4 總結

本系統制作的微弱信號檢測儀基本實現了對微弱小信號的準確測量與顯示。微弱信號幅度有效值為 10μV～1mV，測量誤差小于5%。引入干擾信號測試，當干擾信號與測試信號1：1或10：1時，測量誤差仍能穩定在5%以內。本系統中數字移相網絡可實現連續或步進移相360度，可手動設置步進間距，且步進間距任意可調，效果良好。通過按鍵實現測試模式的切換與顯示，人機交互界面良好。

其中測量誤差主要和直流電源的紋波，系統的穩定性以及AD的精度有關。本系統目的是進行微弱信號的檢測，所以本系統最大的影響在于系統噪聲的影響。因此系統設計過程中，要綜合考慮整體的布局，各個模塊之間的影響，以及對各芯片的選擇，例如速度、噪聲、擺率、供電電壓等，針對不同作用選擇最佳芯片。在電路焊接時注意布線布局，要做到單點供電。同時要求電源的紋波要盡可能的小，降低對系統性能的影響。盡可能地降低系統的噪聲，從而提高測量精度。本工作得到武漢大學設備處開放實驗基金項目大力支持，在此表示感謝。

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基金項目：武漢大學設備處開放實驗基金項目（項目號：WHU-2017-610400011）

作者簡介：楊志東（1974-），男，湖北武漢人，計算機應用專業碩士，武漢大學本科生院實踐教學辦副主任，研究方向為大學生實踐教學、學科競賽組織與管理。