噪声背景下微弱信号检测系统的设计

蔡翠翠，王本有，常志强

(皖西学院 信息工程学院，安徽 六安 237012)

噪声背景下微弱信号检测系统的设计

蔡翠翠，王本有，常志强

(皖西学院 信息工程学院，安徽 六安 237012)

针对噪声背景下微弱信号检测系统存在检测精度低、设计复杂等问题，设计了一个基于锁相放大原理的微弱信号检测系统。被检测的微弱信号首先经过仪用放大器和滤波电路进行信号的前置放大和滤波，然后经锁相放大器AD630进行信号相关检测，再经低通滤波得到直流信号，最后经单片机PIC16F676采集和处理，并将信号信息送到LCD显示。实验测试表明，系统的测量精度高，可以有效地检测噪声干扰下的微弱信号。

微弱信号；仪用放大器；锁相放大器；PIC16F676

随着现代科学技术技术的快速发展，在科研和生产过程中，人们往往需要对噪声背景下的微弱信号进行检测，产生了微弱信号检测这门新兴的科学技术。目前微弱信号检测在航天航空、生物医疗、电学、光学、工业生产等相关领域得到了广泛应用[1](P1-6)。

微弱信号检测技术的迅速发展，从传统频谱分析、带通滤波到近年发展起来的相关检测、小波变换、混沌振子等方法[2，3]，大部分技术都被应用到微弱信号检测系统中。对于传统的微弱信号检测系统存在设备复杂、成本高、检测精度低等问题，而新的微弱信号检测技术有的都还不够成熟，仍处于探索阶段。锁相放大器利用待测信号和参考信号的互相关检测原理对信号进行窄带化处理，能有效抑制噪声，实现噪声干扰信号中微弱信号的有效检测[4，5]。本文以锁相放大原理为基础进行微弱信号相干检测，设计了一个微弱信号检测系统，它具有系统设计简单、成本低、检测精度高等优点，并且可以有效检测微弱信号。

1 系统方案的设计

基于锁相放大的微弱信号检测系统主要用于噪声背景下微弱信号的检测，系统主要由微弱信号处理、信号采集和显示两部分组成，其中微弱信号处理模块主要完成信号的前置放大、前置滤波、锁相放大及低通滤波；信号的采集和显示模块主要完成信号的采集、处理和显示，具体框图如图1所示。

系统首先通过前置放大电路对噪声背景下的微弱信号预放大，再通过前置滤波器滤除频带外的干扰，然后通过锁相放大器AD630对输入信号和参考信号进行相关检测，最后通过低通滤波器输出与微弱信号同频率的直流信号，将直流信号通过PIC16F676单片机A/D采样和处理后，通过LCD1602进行信号的显示。

图1 系统总体框图

2 系统的硬件电路设计

2.1 前置放大电路

通常信号的放大电路一般采用通用运算放大器，而本系统选用仪用放大器进行微弱信号的前置放大，主要是因为通用运算放大器在放大微弱信号的同时，也放大了背景噪声信号，会导致有些微弱信号无法被检测，另外仪用放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点[6]，所以适用于微弱信号的放大。

系统采用BURR-BROWN公司的精密放大器INA114，此放大器尺寸小、精度高、价格低，是一种通用仪用放大器，它具有高共模干扰抑制比、低失调电压、温漂小的特点，其中共模干扰抑制比G可高达1 000，失调电压可低至50 μV，并且通过外部电阻控制就可实现1～10 000之间放大增益。由于INA114的输入阻抗较大，偏置电流非常小，在实际的电路设计中，为了电路的正常工作，还必须为两个输入端的偏置电路设置返回路径。

为了减小干扰对信号传输的影响，对输入的微弱信号采用差分形式传输，利用AD8138实现单端信号转换差分信号，同时还为后续的放大电路提高了信号的驱动能力，设计的电路如图2所示。

2.2 前置滤波电路

为减小频带外噪声对信号的干扰，需要设计前置滤波器对频带外的噪声干扰进行滤除。由于系统设计待检测信号的最大截止频率为2 kHz，前置滤波电路设计的是由运算放大器OPA117组成的切比雪夫滤波器，电路如图3所示。

2.3 移相网络

图2 前置放大电路

图3 前置滤波电路

移相网络主要完成对输入信号的移相，为锁相放大器提供参考信号。系统采用全通滤波器进行移相网络的设计，每一阶滤波器都可以通过改变电阻实现0°～180°的移相，两阶全通滤波器串联可实现信号的0°～360°移相，电路如图4所示。

2.4 锁相放大电路

锁相放大电路是微弱信号检测的关键部分，主要由信号通道、参考通道、相敏检波和输出电路组成，其中参考信号是与输入微弱信号同频率、同相位的信号。锁相放大电路利用被测信号与参考信号比较，只有与参考信号频率相同、相位有关联的信号才有响应，输出有用信号，可以大幅度抑制噪声干扰[7]。锁相放大电路采用AD630器件，内部包含一路比较器、两路放大器和一路滤波用放大器，设计简单的外围电路就可实现锁相放大的功能。对于参考信号经过移相网络后通过参考通道就可以输入锁相放大器，使用内部的信号比较器，大大减小了设计难度，也降低了系统的复杂度，电路如图5所示。

图4 移相网络

图5 锁相放大电路

2.5 低通滤波电路

微弱信号经过锁相放大电路后，输出的信号既有与参考信号频率一致的直流信号也有其他频率的交流信号，因此需要加入一个低通滤波器，滤除信号经放大处理后的交流分量，保留直流分量。同时，通过对调节低通滤波器的电路增益的调节来改善输出信号的幅度，与输入信号幅度保持一致。本系统设计的低通滤波器采用运算放大器OPA117，电路如图6所示。

图6 低通滤波电路

3 系统的软件设计

系统的软件设计主要采用PIC16F676单片机对信号进行数据采集和显示，该款单片机具有指令简单、计算速度快、内部资源多，并且集成了多路10位的A/D转换器，满足系统设计的需要[8](P10-12)。

单片机PIC16F676首先对经过低通滤波输出的直流信号进行A/D转换和处理，然后通过LCD1602进行显示。程序首先对单片机进行初始化，然后启动A/D转化，等待A/D转换结束后，进行数据处理，最后送LCD进行数据显示。软件流程图如图7所示。

图7 软件流程图

4 系统的抗干扰措施

系统设计除了利用信号差分传输和滤波，还采用以下抗干扰措施：

(1)使用直流稳压源供电，使放大器稳定的工作，减小电源对放大器的干扰。

(2)选用高性能屏蔽信号线，传输微弱信号，可以减小共模的干扰。

(3)系统良好接地。其中电路设计选择单点接地方式，电路板的设计采用大面积地线，减小地线电阻，抑制接地线阻抗噪声。

5 实验结果分析

在实验环境下模拟噪声背景下的微弱信号，采用信号发生器来产生幅度峰值小、频率为200～2 000 Hz的微弱正弦波信号，计算机模拟噪声信号，从音频输出口来获取噪声信号。经加法器对微弱的正弦波信号与噪声信号进行叠加，叠加后的信号来模拟噪声背景下的微弱信号，将该微弱信号作为微弱信号检测系统的输入信号，对系统的性能进行测试，测试结果如表1所示。

表1 实验测试数据

实验测试表明，微弱信号检测系统可以对不同频率、不同幅度的微弱信号进行检测，最终测试显示的信号幅度基本与输入的信号幅度基本一致，测试的误差较小。

6 结语

该微弱信号检测系统基于锁相放大原理，采用简单的电路设计能有效抑制噪声信号，提高系统信号的信噪比，较好地实现对噪声背景下微弱信号的检测。该系统的测量精度高、系统设计简单、成本低、抗干扰能力强，具有良好的应用前景。

[1]高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]龙兴波，黄敏，樊昌元.基于MSP430的微弱信号检测装置[J].微型机与应用，2014(3)：18-20.

[3]夏均忠，刘远宏，冷永刚，等.微弱信号检测方法的现状分析[J].噪声与振动控制，2011，31(3)：156-161.

[4]杨建新，武银兰.锁定放大器在检测微弱信号中的应用[J].物理通报，2012(9)：80-82.

[5]田正武，熊俊俏，裴建华，等.微弱信号检测与锁定放大电路[J].化工自动化及仪表，2014(5)：509-512.

[6]刘文静，王民慧，汪亚霖，等.强磁场下微弱信号检测系统设计[J].传感技术学报，2013(6)：865-870.

[7]陈淼，陈渭力，黄秀珍.基于C8051F020的微弱信号检测装置设计[J].工业控制计算机，2015(6)：130-133.

[8]神崎康宏.PIC单片机应用[M].杨晓梅，冯仁剑，译.北京：科学出版社，2011.

Design of Weak Signal Detection Systemin the Noise Background

CAI Cuicui, WANG Benyou, CHANG Zhiqiang

(InformationEngineeringCollege,WestAnhuiUniversity,Lu’an237012,China)

For weak signal detection in the noise background with the low detection accuracy and the complex design, the system was designed based on the principle of phase-locked amplification. The detected weak signal is amplified and filtered through the instrumentation amplifier and filter circuit, then the signal correlation is detected by the phase-lock amplifier AD630, and then the DC signal is obtained through low-pass filtered. Finally, the signal is collected and processed by the PIC16F676, and the information to the LCD display. The experiment results show that the system has high measuring accuracy, and it can effectively detect the weak signal in the noise background.

weak signal; instrumentation amplifier; phase-locked amplifier; PIC16F676

2016-11-22

安徽省高校省级自然科学研究项目(KJ2010B265)；安徽省质量工程项目(2015jyxm289)。

蔡翠翠(1989-)，女，安徽宿州人，助教，研究方向：智能信息处理。

TN911.7

A

1009-9735(2017)02-0054-04