噪聲背景下微弱信號檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蔡翠翠，王本有，常志強(qiáng)

(皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

噪聲背景下微弱信號檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蔡翠翠，王本有，常志強(qiáng)

(皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

針對噪聲背景下微弱信號檢測系統(tǒng)存在檢測精度低、設(shè)計(jì)復(fù)雜等問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于鎖相放大原理的微弱信號檢測系統(tǒng)。被檢測的微弱信號首先經(jīng)過儀用放大器和濾波電路進(jìn)行信號的前置放大和濾波，然后經(jīng)鎖相放大器AD630進(jìn)行信號相關(guān)檢測，再經(jīng)低通濾波得到直流信號，最后經(jīng)單片機(jī)PIC16F676采集和處理，并將信號信息送到LCD顯示。實(shí)驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)的測量精度高，可以有效地檢測噪聲干擾下的微弱信號。

微弱信號；儀用放大器；鎖相放大器；PIC16F676

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)技術(shù)的快速發(fā)展，在科研和生產(chǎn)過程中，人們往往需要對噪聲背景下的微弱信號進(jìn)行檢測，產(chǎn)生了微弱信號檢測這門新興的科學(xué)技術(shù)。目前微弱信號檢測在航天航空、生物醫(yī)療、電學(xué)、光學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1](P1-6)。

微弱信號檢測技術(shù)的迅速發(fā)展，從傳統(tǒng)頻譜分析、帶通濾波到近年發(fā)展起來的相關(guān)檢測、小波變換、混沌振子等方法[2，3]，大部分技術(shù)都被應(yīng)用到微弱信號檢測系統(tǒng)中。對于傳統(tǒng)的微弱信號檢測系統(tǒng)存在設(shè)備復(fù)雜、成本高、檢測精度低等問題，而新的微弱信號檢測技術(shù)有的都還不夠成熟，仍處于探索階段。鎖相放大器利用待測信號和參考信號的互相關(guān)檢測原理對信號進(jìn)行窄帶化處理，能有效抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)噪聲干擾信號中微弱信號的有效檢測[4，5]。本文以鎖相放大原理為基礎(chǔ)進(jìn)行微弱信號相干檢測，設(shè)計(jì)了一個(gè)微弱信號檢測系統(tǒng)，它具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、成本低、檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且可以有效檢測微弱信號。

1 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

基于鎖相放大的微弱信號檢測系統(tǒng)主要用于噪聲背景下微弱信號的檢測，系統(tǒng)主要由微弱信號處理、信號采集和顯示兩部分組成，其中微弱信號處理模塊主要完成信號的前置放大、前置濾波、鎖相放大及低通濾波；信號的采集和顯示模塊主要完成信號的采集、處理和顯示，具體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)首先通過前置放大電路對噪聲背景下的微弱信號預(yù)放大，再通過前置濾波器濾除頻帶外的干擾，然后通過鎖相放大器AD630對輸入信號和參考信號進(jìn)行相關(guān)檢測，最后通過低通濾波器輸出與微弱信號同頻率的直流信號，將直流信號通過PIC16F676單片機(jī)A/D采樣和處理后，通過LCD1602進(jìn)行信號的顯示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 前置放大電路

通常信號的放大電路一般采用通用運(yùn)算放大器，而本系統(tǒng)選用儀用放大器進(jìn)行微弱信號的前置放大，主要是因?yàn)橥ㄓ眠\(yùn)算放大器在放大微弱信號的同時(shí)，也放大了背景噪聲信號，會導(dǎo)致有些微弱信號無法被檢測，另外儀用放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)[6]，所以適用于微弱信號的放大。

系統(tǒng)采用BURR-BROWN公司的精密放大器INA114，此放大器尺寸小、精度高、價(jià)格低，是一種通用儀用放大器，它具有高共模干擾抑制比、低失調(diào)電壓、溫漂小的特點(diǎn)，其中共模干擾抑制比G可高達(dá)1 000，失調(diào)電壓可低至50 μV，并且通過外部電阻控制就可實(shí)現(xiàn)1～10 000之間放大增益。由于INA114的輸入阻抗較大，偏置電流非常小，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，為了電路的正常工作，還必須為兩個(gè)輸入端的偏置電路設(shè)置返回路徑。

為了減小干擾對信號傳輸?shù)挠绊?，對輸入的微弱信號采用差分形式傳輸，利用AD8138實(shí)現(xiàn)單端信號轉(zhuǎn)換差分信號，同時(shí)還為后續(xù)的放大電路提高了信號的驅(qū)動能力，設(shè)計(jì)的電路如圖2所示。

2.2 前置濾波電路

為減小頻帶外噪聲對信號的干擾，需要設(shè)計(jì)前置濾波器對頻帶外的噪聲干擾進(jìn)行濾除。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)待檢測信號的最大截止頻率為2 kHz，前置濾波電路設(shè)計(jì)的是由運(yùn)算放大器OPA117組成的切比雪夫?yàn)V波器，電路如圖3所示。

2.3 移相網(wǎng)絡(luò)

圖2 前置放大電路

圖3 前置濾波電路

移相網(wǎng)絡(luò)主要完成對輸入信號的移相，為鎖相放大器提供參考信號。系統(tǒng)采用全通濾波器進(jìn)行移相網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，每一階濾波器都可以通過改變電阻實(shí)現(xiàn)0°～180°的移相，兩階全通濾波器串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)信號的0°～360°移相，電路如圖4所示。

2.4 鎖相放大電路

鎖相放大電路是微弱信號檢測的關(guān)鍵部分，主要由信號通道、參考通道、相敏檢波和輸出電路組成，其中參考信號是與輸入微弱信號同頻率、同相位的信號。鎖相放大電路利用被測信號與參考信號比較，只有與參考信號頻率相同、相位有關(guān)聯(lián)的信號才有響應(yīng)，輸出有用信號，可以大幅度抑制噪聲干擾[7]。鎖相放大電路采用AD630器件，內(nèi)部包含一路比較器、兩路放大器和一路濾波用放大器，設(shè)計(jì)簡單的外圍電路就可實(shí)現(xiàn)鎖相放大的功能。對于參考信號經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)后通過參考通道就可以輸入鎖相放大器，使用內(nèi)部的信號比較器，大大減小了設(shè)計(jì)難度，也降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，電路如圖5所示。

圖4 移相網(wǎng)絡(luò)

圖5 鎖相放大電路

2.5 低通濾波電路

微弱信號經(jīng)過鎖相放大電路后，輸出的信號既有與參考信號頻率一致的直流信號也有其他頻率的交流信號，因此需要加入一個(gè)低通濾波器，濾除信號經(jīng)放大處理后的交流分量，保留直流分量。同時(shí)，通過對調(diào)節(jié)低通濾波器的電路增益的調(diào)節(jié)來改善輸出信號的幅度，與輸入信號幅度保持一致。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低通濾波器采用運(yùn)算放大器OPA117，電路如圖6所示。

圖6 低通濾波電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要采用PIC16F676單片機(jī)對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和顯示，該款單片機(jī)具有指令簡單、計(jì)算速度快、內(nèi)部資源多，并且集成了多路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要[8](P10-12)。

單片機(jī)PIC16F676首先對經(jīng)過低通濾波輸出的直流信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和處理，然后通過LCD1602進(jìn)行顯示。程序首先對單片機(jī)進(jìn)行初始化，然后啟動A/D轉(zhuǎn)化，等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后送LCD進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

4 系統(tǒng)的抗干擾措施

系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了利用信號差分傳輸和濾波，還采用以下抗干擾措施：

(1)使用直流穩(wěn)壓源供電，使放大器穩(wěn)定的工作，減小電源對放大器的干擾。

(2)選用高性能屏蔽信號線，傳輸微弱信號，可以減小共模的干擾。

(3)系統(tǒng)良好接地。其中電路設(shè)計(jì)選擇單點(diǎn)接地方式，電路板的設(shè)計(jì)采用大面積地線，減小地線電阻，抑制接地線阻抗噪聲。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下模擬噪聲背景下的微弱信號，采用信號發(fā)生器來產(chǎn)生幅度峰值小、頻率為200～2 000 Hz的微弱正弦波信號，計(jì)算機(jī)模擬噪聲信號，從音頻輸出口來獲取噪聲信號。經(jīng)加法器對微弱的正弦波信號與噪聲信號進(jìn)行疊加，疊加后的信號來模擬噪聲背景下的微弱信號，將該微弱信號作為微弱信號檢測系統(tǒng)的輸入信號，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)測試表明，微弱信號檢測系統(tǒng)可以對不同頻率、不同幅度的微弱信號進(jìn)行檢測，最終測試顯示的信號幅度基本與輸入的信號幅度基本一致，測試的誤差較小。

6 結(jié)語

該微弱信號檢測系統(tǒng)基于鎖相放大原理，采用簡單的電路設(shè)計(jì)能有效抑制噪聲信號，提高系統(tǒng)信號的信噪比，較好地實(shí)現(xiàn)對噪聲背景下微弱信號的檢測。該系統(tǒng)的測量精度高、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、成本低、抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]高晉占.微弱信號檢測[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]龍興波，黃敏，樊昌元.基于MSP430的微弱信號檢測裝置[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014(3)：18-20.

[3]夏均忠，劉遠(yuǎn)宏，冷永剛，等.微弱信號檢測方法的現(xiàn)狀分析[J].噪聲與振動控制，2011，31(3)：156-161.

[4]楊建新，武銀蘭.鎖定放大器在檢測微弱信號中的應(yīng)用[J].物理通報(bào)，2012(9)：80-82.

[5]田正武，熊俊俏，裴建華，等.微弱信號檢測與鎖定放大電路[J].化工自動化及儀表，2014(5)：509-512.

[6]劉文靜，王民慧，汪亞霖，等.強(qiáng)磁場下微弱信號檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013(6)：865-870.

[7]陳淼，陳渭力，黃秀珍.基于C8051F020的微弱信號檢測裝置設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2015(6)：130-133.

[8]神崎康宏.PIC單片機(jī)應(yīng)用[M].楊曉梅，馮仁劍，譯.北京：科學(xué)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

安徽省高校省級自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2010B265)；安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目(2015jyxm289)。

蔡翠翠(1989-)，女，安徽宿州人，助教，研究方向：智能信息處理。

TN911.7

A

1009-9735(2017)02-0054-04