基于Launchpad微弱信號(hào)檢測裝置的探究

陳 偉，黃 芮，林師善，利文苑

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)類產(chǎn)品越來越多地滲透到人們的生活當(dāng)中，而一個(gè)電子系統(tǒng)中，往往帶有大量的白噪聲，這些白噪聲的取值恰好符合高斯分布。從噪聲掩蓋的信號(hào)中檢測并提取各種微弱信號(hào)(如弱光、小位移、微振動(dòng)、微應(yīng)變、微溫差、低電平電壓等)越來越受到人們的重視。微弱信號(hào)檢測技術(shù)是采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性，檢測被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)。微弱信號(hào)檢測的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用的信號(hào)，或用一些新技術(shù)和新方法來提高檢測系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比[1]。對(duì)微弱信號(hào)檢測理論的研究、探索新的微弱信號(hào)檢測方法、研制新的微弱信號(hào)檢測設(shè)備是目前檢測技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 測試需求分析

在隨機(jī)強(qiáng)噪聲背景下，已知正弦微弱信號(hào)的頻率為1 kHz，幅度峰峰值在20 mV～2 V范圍，正弦波信號(hào)源可以由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來代替；而隨機(jī)強(qiáng)噪聲用標(biāo)準(zhǔn)噪聲文件，噪聲均方根電壓值固定為1 V±0.1 V。設(shè)輸入信號(hào)為VS，隨機(jī)噪聲為VN，加法器輸出為VC=VS+VN，要求加法器輸出通過衰減系數(shù)不小于100的純電阻網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)行檢測并給予顯示。由于信號(hào)幅值比較小，經(jīng)過100倍的衰減后將變得更加微弱，所以要經(jīng)過放大，信號(hào)和噪聲的分離、信號(hào)檢測關(guān)鍵在于濾波器和放大器的設(shè)計(jì)。本裝置的設(shè)計(jì)思路是，先將衰減后混合信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大器放大[1-2]后，再經(jīng)過5階巴特沃斯帶通濾波器濾波[1]，濾除得到300 Hz～3.4 kHz信號(hào)，輸入模擬乘法器實(shí)現(xiàn)的鎖相放大檢測信號(hào)電路[1，3]，再由集成濾波器MAX297構(gòu)成的低通濾波器得到小信號(hào)，經(jīng)過AD采樣后，通過TI的小開發(fā)板Launchpad控制顯示。模擬乘法器的參考信號(hào)由MSP430F449編程產(chǎn)生，已知信號(hào)的頻率為1 000 Hz，而本方案中需要產(chǎn)生1 000.2 Hz的參考信號(hào)，可通過在單片機(jī)內(nèi)部存放波表，通過I/O口將波表數(shù)據(jù)輸出給D/A器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換[1，4]。

2 總體設(shè)計(jì)

該裝置測試系統(tǒng)加法器實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)疊加，模擬產(chǎn)生混疊信號(hào)，純電阻分壓衰減的是淹沒的正弦信號(hào)，最后提取得到的信號(hào)與Vs對(duì)比。其中帶通濾波器為5階巴特沃斯有源濾波器，用UA741實(shí)現(xiàn)，乘法器用MPY634實(shí)現(xiàn)。需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參考信號(hào)，用MSP430單片機(jī)產(chǎn)生。對(duì)于后級(jí)的低通濾波器要求比較高，要求截止頻率為0.3 Hz，低通濾波器的輸出信號(hào)加到ADS1115模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并由Launchpad控制顯示。

3 主要硬件模塊設(shè)計(jì)

3.1 加法器設(shè)計(jì)

加法器電路[2]采用低噪聲運(yùn)放AD604。AD604是一款超低噪聲、精度極高、雙通道、線性dB可變增益放大器(VGA)，針對(duì)超聲應(yīng)用中基于時(shí)間的可變增益控制進(jìn)行了優(yōu)化，但同樣支持任何要求低噪聲、寬帶寬、可變增益控制的應(yīng)用。AD604的每個(gè)通道均提供300 kΩ輸入電阻和單極性增益控制，使用方便。微弱正弦信號(hào)VS與強(qiáng)噪聲信號(hào)VN分別經(jīng)一個(gè)10 kΩ電阻在AD604的同相端相加，模擬產(chǎn)生混疊信號(hào)。

3.2 小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)

由于對(duì)微弱信號(hào)的獲取和幅值測量很難實(shí)現(xiàn)，因此需要先對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

小信號(hào)放大電路[1-2]如圖1所示，采用TI出品的一款極低噪音頻雙運(yùn)放放大器OPA2134，輸出信號(hào)帶寬為8 MHz，滿足系統(tǒng)中對(duì)輸入信號(hào)帶寬的要求；輸入阻抗為3.3 MHz。小信號(hào)放大電路的放大倍數(shù)為100～120倍，輸入放大電路的微弱正弦信號(hào)經(jīng)放大電路放大后，為后面的檢測和測量提供方便。

圖1 小信號(hào)放大

3.3 鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)

鎖相放大電路檢測微弱信號(hào)的原理是基于信號(hào)和噪聲在相關(guān)特性方面的差別。它起到了一個(gè)極窄的帶通濾波器的作用(而不是普通濾波器)。本裝置中用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)鎖相放大[1，3]。

模擬乘法器是對(duì)兩個(gè)模擬信號(hào)（電壓或電流）實(shí)現(xiàn)相乘功能的有源非線性器件。主要功能是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)互不相關(guān)信號(hào)的相乘，即輸出信號(hào)與兩輸入信號(hào)的乘積成正比。它有兩個(gè)輸入端口，即X和Y輸入端口。Vr是標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)，頻率為1 000.2 Hz，由MSP430F449最小系統(tǒng)板存放波表，然后控制DAC0832輸出產(chǎn)生，Vs是混疊信號(hào)，設(shè)1 000 Hz正弦信號(hào)和噪聲混疊的表達(dá)式為：

1 000.2 Hz參考信號(hào)表達(dá)式∶

由乘法器輸出的信號(hào)vo為：

將式(1)、式(2)代入式(3)可得：

該輸出信號(hào)包含了眾多頻率成分信號(hào)，同時(shí)包含了輸入信號(hào)頻譜搬移后的信號(hào)，分別位于2 000.2 Hz和0.2 Hz處。再將該輸出信號(hào)輸入8階低通橢圓型開關(guān)電容低通濾波器MAX297，便可將小信號(hào)從噪聲中提取出來。乘法器電路如圖2所示，本地參考信號(hào)產(chǎn)生電路圖如圖3所示。

圖2 乘法器

圖3 參考信號(hào)產(chǎn)生電路

3.4 低通濾波器的設(shè)計(jì)

由于乘法器的輸出有兩個(gè)頻率0.2 Hz和2 000.2 Hz，而需要的是0.2 Hz的信號(hào)，故采用濾波法。一般的濾波器很難做到這么低的截止頻率，選擇集成濾波器芯片MAX297[1]。MAX297是一款8階低通橢圓開關(guān)電容濾波器[2]，時(shí)鐘可調(diào)轉(zhuǎn)角頻率范圍為0.1 Hz～50 kHz，時(shí)鐘頻率比為50∶1?，F(xiàn)在需要0.3 Hz截止頻率的濾波器，于是輸入的時(shí)鐘頻率就是15 Hz，由MSP430F449的精確定時(shí)器產(chǎn)生。MAX297的電路圖如圖4所示。

圖4 MAX297低通濾波器

4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本裝置選用TI器件LaunchPad和單片機(jī)最小系統(tǒng)板做主控制器件，LaunchPad負(fù)責(zé)絕大部分控制信號(hào)，MSP430F449最小系統(tǒng)板用于存放波表和控制D/A輸出頻率，并利用其精準(zhǔn)的定時(shí)器產(chǎn)生15 Hz的方波信號(hào)用于MAX297的時(shí)鐘。LaunchPad負(fù)責(zé)本系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換檢波、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示[5]。由于ADS1115是串行數(shù)據(jù)傳輸，速度比較慢，故放在主函數(shù)中一直進(jìn)行采樣，通過配置寄存器使LCD1602等時(shí)間地刷新顯示。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

用于測試的主要儀器：雙蹤數(shù)字存儲(chǔ)示波器，型號(hào)為TEKTRONIX TDS1002；直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，型號(hào)為SG1733-SB3A；20 MHz函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，型號(hào)為ROGOL DG1022，輸入的正弦信號(hào)頻率為1 kHz，峰峰值為20 mV～2 V。實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，誤差約4.2%。由于電路焊接和器件的各種誤差，對(duì)于淹沒的小信號(hào)的提取效果較好，而且這個(gè)誤差還可以進(jìn)一步減小，關(guān)鍵在于產(chǎn)生的1 000.2 Hz參考信號(hào)的頻率能否穩(wěn)定以及濾波器的選定。因?yàn)闉V波器的截止頻率很低，所以對(duì)濾波器的要求很高。本系統(tǒng)提取小信號(hào)的思想也可以擴(kuò)展到其他領(lǐng)域。實(shí)際應(yīng)用表明，該裝置具有測試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

[1]黃根春，周立青，張望先.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽教程——基于TI器件的設(shè)計(jì)方法[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]董尚斌，蘇利，代永紅.電子線路（I）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電路設(shè)計(jì)(第二版)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4]黃根春，張望先.電子設(shè)計(jì)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[5]沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與運(yùn)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.