微弱信號(hào)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

張仕奇

摘 ?要：本設(shè)計(jì)作為微弱信號(hào)檢測(cè)裝置，可應(yīng)用于強(qiáng)噪聲干擾背景下檢測(cè)已知頻率的微弱正弦波信號(hào)。系統(tǒng)主要由正弦波與噪聲源加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、微弱信號(hào)檢測(cè)電路、幅值顯示電路四部分組成，以MSP430 MCU為控制處理器的顯示電路通過(guò)A/D采樣將有效值采集并轉(zhuǎn)換為信號(hào)幅度值顯示在128*64液晶顯示屏上，人機(jī)交換界面良好。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，工作性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)檢測(cè);單元電路設(shè)計(jì);MSP430;系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TH85+5 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2016）03-0006-02

1 ?整體方案設(shè)計(jì)

1.1 ?系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)主要由加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、微弱信號(hào)檢測(cè)電路、顯示電路四部分組成，系統(tǒng)框架圖，如圖1所示。

1.2 ?理論分析與計(jì)算

噪聲源輸出VN的均方根電壓值固定為1 V±0.1 V，正弦波信號(hào)的峰峰值Vs在200 mV～2 V范圍內(nèi)，加法器輸出Vc=2√2VN+Vs（便于測(cè)量取峰峰值）。純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采用Π型網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有電路簡(jiǎn)單，噪聲小，幅度呈線性衰減，波形不會(huì)產(chǎn)生畸變等優(yōu)點(diǎn)。

衰減倍數(shù)（dB）=20log（），R2=（1）

Π型網(wǎng)絡(luò)衰減器，如圖2所示。

微弱信號(hào)檢測(cè)電路前級(jí)部分應(yīng)滿足高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移的要求，采用儀表放大芯片，因其具有較高的共模輸入抑制能力，共模抑制比大，電路連接簡(jiǎn)單，只需一個(gè)外接電阻就可以調(diào)節(jié)增益。

增益計(jì)算公式：

G=1+。

由于人為加入噪聲信號(hào)，故對(duì)濾波電路有極高要求，此部分設(shè)計(jì)采用邊濾波邊放大的設(shè)計(jì)思想，先經(jīng)過(guò)帶通濾波，然后放大10倍，再低通濾波，再放大2倍，再低通濾波。經(jīng)過(guò)多次濾波將噪聲信號(hào)盡可能的減小。

1.3 ?加法器電路

本部分電路用于噪聲源和被測(cè)信號(hào)的合成，設(shè)計(jì)要求“加法器的輸出VC =VS+VN”，我們可以采用以下兩種方案實(shí)現(xiàn)該部分功能：

若采用同相求和運(yùn)算電路，則由于同相求和運(yùn)算電路各輸入電壓的系數(shù)涉及電路中所有電阻，其中有些電阻的取值互相制約，調(diào)試工作復(fù)雜，工程上很少采用，故采用反相求和運(yùn)算電路。與同相求和運(yùn)算電路相比，反相求和運(yùn)算電路易于設(shè)計(jì)和調(diào)試。芯片選用TI公司的OPA134精密運(yùn)放芯片。

1.4 ?純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)

本部分電路用于噪聲源和被測(cè)信號(hào)的衰減，為后級(jí)電路產(chǎn)生和提供微弱信號(hào)，設(shè)計(jì)要求“純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的衰減系數(shù)不低于100”，即：衰減增益應(yīng)大于或等于40 dB。我們采用π型衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)Vc衰減100倍。該網(wǎng)絡(luò)不僅能實(shí)現(xiàn)精確的衰減而且有良好的阻抗匹配特性，對(duì)前后級(jí)還有一定的隔離作用。

本設(shè)計(jì)中，我們采用方案二，元器件選用精度為0.1%的精密電阻。

1.5 ?微弱信號(hào)檢測(cè)電路

本部分電路有兩大作用：①濾除噪聲，便于有用信號(hào)的提取;②放大信號(hào)，彌補(bǔ)前級(jí)的衰減，為后級(jí)幅值測(cè)量提供大信號(hào)。由于設(shè)計(jì)前提給定的噪聲很大，故所選用的濾波器必須具有極強(qiáng)的窄帶濾波性能。我們采用高階巴特沃斯濾波器。因考慮到設(shè)計(jì)要求的高陡降系數(shù)，故我們必須選用階數(shù)很高的濾波器。通過(guò)音頻分析軟件對(duì)給定的噪聲文件進(jìn)行分析，我們得知該噪聲文件的左聲道中心頻率約為11.8 kHz，右聲道中心頻率約為15 kHz，通過(guò)示波器粗測(cè)，該噪聲的頻率通常在4.5 kHz以上，而被測(cè)信號(hào)的頻率范圍為500～2 000 Hz。若我們選擇2 kHz為低通濾波器的截止頻率，在4.5 kHz頻率處衰減50 dB，通過(guò)公式計(jì)算得到，我們采用七階（或以上）的濾波器可以滿足要求。

2 ?模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 ?加法器模塊硬件設(shè)計(jì)

以O(shè)PA134為核心建立反相求和運(yùn)算電路，通過(guò)電阻Rf引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋。該芯片增益帶寬為8 MHz，滿足題目大于 ? ?1 MHz的要求。有下式表示：

U0=-（Ui1+Ui2） （2）

計(jì)算出R1=2K，R2=2K，Rf=2K，R3=R1//R2//Rf≈667 ？贅。反相求和運(yùn)算電路原理圖，如圖3所示。

2.2 ?微弱信號(hào)檢測(cè)電路

2.2.1 ?儀表放大電路

儀表放大電路圖，如圖4所示。

2.2.2 ?帶通濾波電路

帶通濾波電路，如圖5所示。

2.3 ?有效值測(cè)量模塊

本電路采用專門用于有效值測(cè)量的AD637芯片，它是一款高精度寬帶集成真有效值轉(zhuǎn)換器?？捎?jì)算任何負(fù)載波形的真有效值。它提供集成電路有效值直流轉(zhuǎn)換器前所未有的性能，精度，帶寬和動(dòng)態(tài)范圍。寬帶寬允許測(cè)量200 mV有效值，頻率最高達(dá)600 kHz的輸入信號(hào)以及1 V有效值以上，頻率最高達(dá)8 MHz的輸入信號(hào)。Cav電容的值決定低頻精度，紋波電平和建立時(shí)間。真有效值計(jì)算公式：

Vrms=Avg■（3）

3 ?程序設(shè)計(jì)

顯示部分是基于TI M430G2552芯片和CCS系統(tǒng)開發(fā)。M430G2552是16位，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等特點(diǎn)。有效值測(cè)量我們選用的是AD637，它是一款高精度真有效值轉(zhuǎn)換器，可以計(jì)算各種復(fù)雜波形的真有效值，使用簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，穩(wěn)定時(shí)間短，讀數(shù)準(zhǔn)確，唯一的外部調(diào)整元件為平均電容CAv，它影響到輸出穩(wěn)定時(shí)間、低頻測(cè)量精度、輸出紋波大小。AD采樣部分我們選用的是ADS7816，它是12位的200 KZ采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣精度很高，適合小信號(hào)的采樣處理。數(shù)據(jù)顯示用的是12 864，內(nèi)置8 192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單方便的操作指令完成圖形和漢字顯示，另外低電壓和低功耗又是一個(gè)顯著特點(diǎn)。軟件設(shè)計(jì)主要完成系統(tǒng)初始化、啟動(dòng)A/D采樣、M430G2552對(duì)采樣數(shù)據(jù)的處理、幅值的液晶顯示和簡(jiǎn)單的延時(shí)功能。

4 ?系統(tǒng)測(cè)試

由信號(hào)發(fā)生器輸入正弦波信號(hào)VS的頻率為1 kHz、幅度峰峰值在200 mV～2 V范圍內(nèi)， ?檢測(cè)并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，測(cè)試數(shù)據(jù)以頻率=1 KHz為測(cè)試條件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試表格，見表1。

為提高設(shè)計(jì)精度，再次輸入正弦波信號(hào)VS 的幅度峰峰值在20 mV～2 V范圍內(nèi)時(shí)， 檢測(cè)并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，以頻率等于1 kHz作為測(cè)試條件 。測(cè)試數(shù)據(jù)，見表2。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本設(shè)計(jì)所涉及到的各個(gè)單元電路，是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格論證和計(jì)算機(jī)仿真得到的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：所用設(shè)計(jì)方案正確，設(shè)計(jì)結(jié)果令人滿意。由此可見，對(duì)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，必須要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的方案分析和計(jì)算論證，還要經(jīng)過(guò)細(xì)致的調(diào)試和嚴(yán)格的測(cè)試，方可成為一個(gè)性能優(yōu)越，工作穩(wěn)定的系統(tǒng)。

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