微弱信号检测装置的设计

张仕奇

摘  要：本设计作为微弱信号检测装置，可应用于强噪声干扰背景下检测已知频率的微弱正弦波信号。系统主要由正弦波与噪声源加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路、幅值显示电路四部分组成，以MSP430 MCU为控制处理器的显示电路通过A/D采样将有效值采集并转换为信号幅度值显示在128*64液晶显示屏上，人机交换界面良好。经过测试，系统的各项测试指标达到预期指标，工作性能稳定。

关键词：微弱信号检测;单元电路设计;MSP430;系统测试

中图分类号：TH85+5     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2016）03-0006-02

1  整体方案设计

1.1  系统框架

本系统主要由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路、显示电路四部分组成，系统框架图，如图1所示。

1.2  理论分析与计算

噪声源输出VN的均方根电压值固定为1 V±0.1 V，正弦波信号的峰峰值Vs在200 mV～2 V范围内，加法器输出Vc=2√2VN+Vs（便于测量取峰峰值）。纯电阻分压网络采用Π型网络，该网络具有电路简单，噪声小，幅度呈线性衰减，波形不会产生畸变等优点。

衰减倍数（dB）=20log（），R2=（1）

Π型网络衰减器，如图2所示。

微弱信号检测电路前级部分应满足高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的要求，采用仪表放大芯片，因其具有较高的共模输入抑制能力，共模抑制比大，电路连接简单，只需一个外接电阻就可以调节增益。

增益计算公式：

G=1+。

由于人为加入噪声信号，故对滤波电路有极高要求，此部分设计采用边滤波边放大的设计思想，先经过带通滤波，然后放大10倍，再低通滤波，再放大2倍，再低通滤波。经过多次滤波将噪声信号尽可能的减小。

1.3  加法器电路

本部分电路用于噪声源和被测信号的合成，设计要求“加法器的输出VC =VS+VN”，我们可以采用以下两种方案实现该部分功能：

若采用同相求和运算电路，则由于同相求和运算电路各输入电压的系数涉及电路中所有电阻，其中有些电阻的取值互相制约，调试工作复杂，工程上很少采用，故采用反相求和运算电路。与同相求和运算电路相比，反相求和运算电路易于设计和调试。芯片选用TI公司的OPA134精密运放芯片。

1.4  纯电阻分压网络

本部分电路用于噪声源和被测信号的衰减，为后级电路产生和提供微弱信号，设计要求“纯电阻分压网络的衰减系数不低于100”，即：衰减增益应大于或等于40 dB。我们采用π型衰减网络实现对Vc衰减100倍。该网络不仅能实现精确的衰减而且有良好的阻抗匹配特性，对前后级还有一定的隔离作用。

本设计中，我们采用方案二，元器件选用精度为0.1%的精密电阻。

1.5  微弱信号检测电路

本部分电路有两大作用：①滤除噪声，便于有用信号的提取;②放大信号，弥补前级的衰减，为后级幅值测量提供大信号。由于设计前提给定的噪声很大，故所选用的滤波器必须具有极强的窄带滤波性能。我们采用高阶巴特沃斯滤波器。因考虑到设计要求的高陡降系数，故我们必须选用阶数很高的滤波器。通过音频分析软件对给定的噪声文件进行分析，我们得知该噪声文件的左声道中心频率约为11.8 kHz，右声道中心频率约为15 kHz，通过示波器粗测，该噪声的频率通常在4.5 kHz以上，而被测信号的频率范围为500～2 000 Hz。若我们选择2 kHz为低通滤波器的截止频率，在4.5 kHz频率处衰减50 dB，通过公式计算得到，我们采用七阶（或以上）的滤波器可以满足要求。

2  模块电路设计

2.1  加法器模块硬件设计

以OPA134为核心建立反相求和运算电路，通过电阻Rf引入电压并联负反馈。该芯片增益带宽为8 MHz，满足题目大于    1 MHz的要求。有下式表示：

U0=-（Ui1+Ui2） （2）

计算出R1=2K，R2=2K，Rf=2K，R3=R1//R2//Rf≈667 ？赘。反相求和运算电路原理图，如图3所示。

2.2  微弱信号检测电路

2.2.1  仪表放大电路

仪表放大电路图，如图4所示。

2.2.2  带通滤波电路

带通滤波电路，如图5所示。

2.3  有效值测量模块

本电路采用专门用于有效值测量的AD637芯片，它是一款高精度宽带集成真有效值转换器。可计算任何负载波形的真有效值。它提供集成电路有效值直流转换器前所未有的性能，精度，带宽和动态范围。宽带宽允许测量200 mV有效值，频率最高达600 kHz的输入信号以及1 V有效值以上，频率最高达8 MHz的输入信号。Cav电容的值决定低频精度，纹波电平和建立时间。真有效值计算公式：

Vrms=Avg■（3）

3  程序设计

显示部分是基于TI M430G2552芯片和CCS系统开发。M430G2552是16位，具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点。有效值测量我们选用的是AD637，它是一款高精度真有效值转换器，可以计算各种复杂波形的真有效值，使用简单，调整方便，稳定时间短，读数准确，唯一的外部调整元件为平均电容CAv，它影响到输出稳定时间、低频测量精度、输出纹波大小。AD采样部分我们选用的是ADS7816，它是12位的200 KZ采样速率的模数转换器，采样精度很高，适合小信号的采样处理。数据显示用的是12 864，内置8 192个16*16点汉字，利用该模块灵活的接口方式和简单方便的操作指令完成图形和汉字显示，另外低电压和低功耗又是一个显著特点。软件设计主要完成系统初始化、启动A/D采样、M430G2552对采样数据的处理、幅值的液晶显示和简单的延时功能。

4  系统测试

由信号发生器输入正弦波信号VS的频率为1 kHz、幅度峰峰值在200 mV～2 V范围内，  检测并显示正弦波信号的幅度值，测试数据以频率=1 KHz为测试条件进行测试，测试表格，见表1。

为提高设计精度，再次输入正弦波信号VS 的幅度峰峰值在20 mV～2 V范围内时， 检测并显示正弦波信号的幅度值，以频率等于1 kHz作为测试条件 。测试数据，见表2。

5  结  语

本设计所涉及到的各个单元电路，是经过严格论证和计算机仿真得到的结果，实验数据证明：所用设计方案正确，设计结果令人满意。由此可见，对电子产品的设计，必须要经过严格的方案分析和计算论证，还要经过细致的调试和严格的测试，方可成为一个性能优越，工作稳定的系统。

参考文献：

[1] 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，

2006.

[2] 肖金球.单片机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] 段尚枢.运算放大器应用基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，

2008.