高精度微弱信号检测装置设计*

许江淳， 李 瑞， 赵 烨， 石 河

高精度微弱信号检测装置设计*

许江淳， 李 瑞， 赵 烨， 石 河

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

为了更好地提取被强噪声淹没的微弱信号，适应工业发展的需求，结合实际项目，利用同步外差技术设计了一个以STM32F107VC微处理器为控制单元，以MC1496为检测核心的微弱信号检测装置，从设计的微弱信号检测装置的检测精度要求出发，分析检测装置误差来源,并提出减小误差的解决方案，通过实测的数据进行了验证，实验结果表明：该装置可以实现对不同频率信号的识别和检测,具有很高的精度。

强噪声； 同步外差技术； 微弱信号检测； 高精度

0 引 言

微弱信号并不意味着信号幅度小，而是指被噪声淹没的信号，微弱也仅仅是相对噪声而言的，只有在有效抑制噪声的情况下，有选择地放大微弱信号的幅度，才能提取出有用的信号。随着现代科学研究与技术的发展，人们在教学科研与生产过程中越来越需要从复杂高强度的噪声中检测出有用的微弱信号，所以，对微弱信号检测的需求势必将不断增大，必须开展对微弱信号检测装置的研制，提高对微弱信号的提取能力，满足企业和国家单位的需求[1]。目前国内市场的微弱信号测量装置普遍精度不高，而进口的仪器精度高但价格昂贵，所以研发可以满足国内用户使用需求且成本低于国外设备的微弱信号检测装置显得尤为紧迫[2]。

本装置以相干检测技术为基础，结合同步外差技术，能有效抑制噪声的功能特点，提高被检测信号的信噪比，从而有选择地放大微弱信号的幅度，提取出有用的微弱信号。

1 装置整体设计方案

1.1 整体方案设计原则与结构

高精度微弱信号检测装置主要由信号源、滤波网络、移相电路、信号调制电路、单片机控制单元以及显示电路组成,其硬件的基本组成框图如图1所示。

图1 标准装置结构图

本装置采用双12 V电源供电，由输入信道提供混合信号，即混有噪声的正弦波信号，通过滤波网络和放大电路将信号输送信号调制电路，经过低通滤波器就得到与输入正弦波信号成正比的直流信号，最后经过模/数转换将数据送入单片机进行数据处理,通过LCD显示出来。

1.2 控制和显示模块设计方案

控制器硬件平台的选择重点就是处理器的选择，经过综合比较，考虑到意法半导体(ST)公司生产的STM32F107VC具有很高的性价比且超低功耗,加上它外围电路简洁，能满足本设计低成本、低功耗、高性能、小体积的要求，故而将STM32F107VC作为本装置主控芯片[3,4]。另外数据显示模块采用2.8 in(1 in=2.54 cm)液晶显示屏，外围电路简单而且能够显示图形和汉字,满足本设计的要求，控制与显示模块设计整体结构图如图2所示。

图2 控制与显示模块设计整体结构图

1.3 参考信道移相电路设计方案

参考信道移相电路的主要功能是将不同频率的参考信号移相90°，如果采用普通的RC串联移相电路,相移θ=tan-1ωRC，针对不同频率的信号R,C的参数需要不停地调整，所以，这里采用微分电路来实现移相的功能[5]。

其输出信号V0为

考虑到微分电路的特性，这里选用高精、低失调电压、低噪声的运算放大器OPA2227能很好满足设计要求。

1.4 微弱信号调制电路设计方案

为了实现对不同频率不同幅值信号的检测,在分析了锁相环的原理以后,利用相干检测技术结合同步外差技术原理,设计出了微弱信号检测模块, 微弱信号调制电路设计整体结构图如图3所示。

图3 微弱信号调制电路设计整体结构图

2 微弱信号检测装置实现

2.1 关键问题

微弱信号检测的误差来源于以下几个方面。

2.1.1 输入信道的采样误差

输入信道的电路设计直接影响了整个设计的测量精度。为了提高微弱信号检测装置的测量精度，输入信道就必须具备传输信号的可靠性和有效性。对于电路设计中可能出现的信号延迟、反射、串扰、振荡等造成误差的主要因素，必须进行有效的预防。

2.1.2 信号调制电路的频率误差

频率变换是通过乘法运算实现的，一般的乘法运算模拟电路，其线性度和稳定性均有一定的问题,而且从模拟乘法器的输出信号会因为输入信号和参考信号而产生较大的变化，因此，导致低通滤波器输出产生变化,即检测装置的测量值会发生变化[6,7]。

2.1.3A/D转换器的误差

由于AD器件有固定的分辨率，将模拟信号量转换为数字信号时，每一位代表的是一个电压范围，范围内的模拟量全部归为一个结果，这就引入了其固有的量化误差。对于一个n位的ADC而言，其量化误差的绝对值Δ为

本设计中微弱信号检测装置的测量精度在0.05 %以上，所以，分辨率需达到1/2 000以上。在采样转换系统中，A/D转换器不可能工作在满度状态，只能够保证工作在满度的1/10以上，所以单点测量的分辨率为1/20 000时，可以保证课题提出的电压幅值测量准确度高于0.05 %。综合上述的分析，同时也考虑到实际信号采样过程中可能引入的误差，选用14位ADC可以保证单点测量电压幅值的误差小于0.007 %。

2.2 解决方案

为减小采样前端测量所带来的误差，微弱信号检测装置采用高精度的电阻分压器和高共模抑制比、低失调电压的运算放大器进行前端信号的处理。

根据上文对A/D转换器的分析可知，意法半导体公司的STM32F107VC自带的A/D转换器就可以满足所需的采样精度。STM32F107VC自带集成的AD可以进行设置为12位逐次逼近型的A/D转换器，采样速率可达到1 Msps。本设计采用过采样技术,将12位AD提高到14位，原来在100 ms之内只采集一个数据，现在需要在100 ms之内采集16个数据。然后，把这16个数据累加，再把累加值右移2位，这样就得到过采样之后的14位AD。采样中，被采样信号最大频率是2 kHz, 所以，采样频率需大于4 kHz才可以避免造成信号混叠[8]。

微弱信号调制电路部分主要是利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效抑制噪声，有很高的信噪比，实现对信号的检测和跟踪[9,10]。但是单相位的调制电路，除了相位差为零之外，在其它相位差情况下,不能很好地测量被测信号的大小,所以应该将参考信号的相位移动90°,使用两个乘法器组成双相信号调制电路，这样就能正确地测量振幅和相位,其原理图如图4。

图4 双相调制电路设计整体结构图

被测信号经过放大滤波以后分别与两个正交的参考信号相乘，再经过低通滤波后得到的是直流分量,直流分量经过放大后输出，被测信号的幅值与R的关系为

(1)

通过式(1)可以测量被测信号的幅值。其中，θ表示被测信号与参考信号的相位差。但是这种方法只能测量已知的特定频率的信号，而且要求参考信号与被测信号的频率严格同步。针对这种情况，本课题利用类似于收音机的同步外差技术，结合相关检测的有关原理，设计出了如图3所示的检测电路。

假设输入信号

S1(t)=E1sin(2πf0+θ1)

(2)

参考信号

Sr(t)=Ersin(2πf1+θ2)

(3)

混频以后输出的信号

S0(t)=S1(t)Sr(t)

(4)

S0(t)=E1Er/2{cos[2πfit+(θ1-θ2)]-

cos[2π(fi+2f0)+(θ1+θ2) ]}

(5)

具有频率f0的信号经放大滤波后进入混频器，其输出为和频项(fi+2f0)及差频项f0，再经具有中心频率为fi的带通滤波器后，输出变为中频信号fi，幅度仍与被测信号的幅度成正比，此时的输出信号为

S2(t)=αAsin(2πfi+φ1)

(6)

式中α为衰减系数，φ1为指通过带通滤波器后的相位，A=E1Er/2。令

S3(t)=αAsin(2πfi+φ2)

(7)

式中φ2=θ1-θ2，S2(t)与S3(t)通过模拟乘法器后得到

M0(t)=S2(t)S3(t)

(8)

M0(t)=1/2αA2{cosφ1-φ2)-cos[4πfit+(φ1+

φ2)]}

(9)

上式表明,信号经过模拟乘法器以后，信号频谱相对频率做了相对位移，即由原来以为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心的两个频谱，经过低通滤波滤除倍频分量，从而使输出变为

M0(t)=1/2αA2cos(φ1-φ2)

(10)

设θ=φ1-φ2，R=1/2αA2则最后经过低通滤波后只有直流分量能通过，其它与时间t有关的项不能通过低通滤波器，所以此时只剩下直流信号Rcosθ。同理可知S3(t)移相90°以后再与S2(t)相乘，然后通过低通滤波器就得到Rsinθ。最终得到的被检测信号如式(1)所示，弥补了必须要知道被测信号频率的准确值才能确定参考频率的缺陷。如图3所示，在获得被测信号的频率范围后，设置合适的带通滤波器，就能适应不同被测信号频率的要求，而且滤波器的带宽及形状可以专门设计,所以，本电路具有很强的抑制噪音的能力，能够满足国家和企业的需求。

3 测试数据与结果分析

针对该设计的电路，当微弱信号检测装置的输入信号频率f在500～2 000 Hz范围内、幅度峰峰值在200 mV～2 V范围内变化时，检测并显示微弱信号检测装置输出信号的幅度值，并记录液晶显示器的数据。其输出信号的幅度值与输入信号的频率、幅度的变化关系的数据如表1和表2所示。

表1、表2的装置输出电压是经过多次测量取的平均值，选取的参考频率是指参考振荡源的频率f1。

表1 相同参考频率下实验测试结果

输入信号幅值/mV装置输出电压/mV参考频率/Hz200199．541000500500．46100015001499．63100020001999．751000

表2 相同输入信号幅度下实验测试结果

输入信号幅值/mV装置输出电压/mV参考频率/Hz1000999．525001000999．66100010001000．3815001000999．852000

通过以上实验的测试、分析得出结论：对不同频率、不同幅度峰峰值的微弱信号，该装置能够精确地进行测量，将强噪声下的已知频率的微弱信号检测出来，用液晶显示器输出稳定的测量值，且微弱信号检测装置的测量值与被测信号的值基本吻合。这说明系统性能稳定，且测量精度高。

4 结束语

本文设计的高精度微弱信号检测装置以MC1496为检测核心，利用同步外差技术和相干检测技术，在有效抑制噪声的情况下，有选择地放大了微弱信号的幅度，最终提取有用信号。与传统的检测电路相比，该微弱信号检测装置在测量精度、抗干扰能力等方面都得到很大提高，测量装置的精度为0.05 %，达到了检测装置的设计精度要求，并且检测装置测量性能稳定。

[1] 刘红丽,李昌禧.一种测量微弱信号的锁定放大电路的设计[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2002(5):619-621．

[2] 苏 鑫,罗文广,马 超.一种双相位锁相放大电路设计[J].电子技术,2012,15(5):75-81．

[3] 王永虹,徐 炜,郝立平.STM32系列ARM Cortex—M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社,2008.

[4] 程小艳,胡 毅.基于ARM Cortex—M3内核的嵌入式多机通信系统设计与应用[J].仪表技术，2012(4):31-36.

[5] 刘海青,许锦峰,姚恩涛,等.基于电容式传感器的建筑物围护结构含水率测试[J].传感器与微系统，2008,27(7):102-104.

[6] 陆贵荣,何宝祥,孟 煜.多变量同时检测新方法的研究[J].传感器与微系统,2008,27(7):47-49．

[7] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006．

[8] 石为人,尤 浩,唐云建,等.中间件在无线传感器网络节点设计中的应用[J].传感器与微系统,2008,27(7):111-113.

[9] 章克来,朱海明.微弱信号检测技术[J].航空电子技术,2009,40(2):30-36．

[10] 陈昌胜,霍剑青.利用锁定放大器测量微弱信号的实验方法研究[J].大学物理实验,2000,13(3):12-14．

Design of high precision wake signal detection device*

XU Jiang-chun， LI Rui， ZHAO Ye， SHI He

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China )

In order to extract weak signals from the strong noise better and to meet the needs of industrial development,practical projects utilizing the technology of synchronous heterodyne,design a weak signal detection device based on STM32F107VC microcontroller as the control unit and MC1496 as the core of detection. According to the requirement of the detection precision of the weak signal detection device,analyze error sources of the detection device and propose the solution to reduce error.It is verified by the measured data.The experimental results show that the device can realize the identification and detection of different frequency signals and it has high precision.

strong noise; synchronous heterodyne technique; weak signal detection; high precision

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0094—03

2016—03—17

国家科技部项目(2009GJF30050)

TM 935

A

1000—9787(2017)02—0094—03

许江淳(1962-)，男，副教授，硕士生导师，从事嵌入式技术应用的研究工作。