應(yīng)用FPGA和MSP430設(shè)計(jì)的微弱信號(hào)檢測(cè)儀

楊志東 程宇 劉同同 盧雲(yún)成

摘 要：本系統(tǒng)是基于鎖定放大器的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置，用來(lái)檢測(cè)在強(qiáng)干擾信號(hào)背景下已知頻率的微弱正弦波信號(hào)的有效值，核心是鎖定放大器的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由π型衰減網(wǎng)絡(luò)、加法器、微弱信號(hào)檢測(cè)電路和顯示電路組成。其中加法器和π型衰減網(wǎng)絡(luò)生成所需微小信號(hào)，微弱信號(hào)檢測(cè)電路和顯示電路完成微小信號(hào)的檢測(cè)并顯示在液晶屏上。本系統(tǒng)是以鎖定放大器為核心，將經(jīng)衰減網(wǎng)絡(luò)衰減產(chǎn)生的正弦參考信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后，接著通過(guò)由FPGA與MSP430組成的數(shù)字移相網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生相位步進(jìn)的方波去驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)乘法器，最后通過(guò)低通濾波器輸出直流信號(hào)，該直流信號(hào)通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理并自動(dòng)顯示最終結(jié)果。本系統(tǒng)集成度高，能夠精確、快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)；可調(diào)增益交流放大器；數(shù)字移相網(wǎng)絡(luò)；ADS1118

Abstract：The system is based on lock-in amplifier of weak signal detection means for detecting a valid value of the given frequency sine wave signal in the strong interference signals background，of which the core is lock-in amplifier design.The system consists of π-type attenuator network， the adder， the weak signal detection circuit and display circuit， while adders and π-type attenuator network to produce the desired small signal， detection circuit and display circuit to complete small signal detection and display the results on the LCD screen. The system is based on lock-in amplifier as the core， through attenuation network sinusoidal reference signal attenuation resulting amplified after shaping， followed by a number from FPGA and MSP430 composition phase shift network produces a square wave phase stepper，which drives switch to the multiplier， and finally the low-pass filter output DC signal， which is then processed by the microcontroller and automatically displays the final result. The system is highly integrated， can accurately and quickly realize the detection of weak signals.

Key words：weak signal；adjustable gain AC amplifier；digital phase shift network；ADS1118

在現(xiàn)代科學(xué)研究及工程實(shí)踐中經(jīng)常需要對(duì)毫微伏級(jí)的微弱信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，由于微弱信號(hào)本身的漲落、背景和放大器噪聲的影響，測(cè)量靈敏度容易受到限制，所以必須在強(qiáng)噪聲中對(duì)有用的微弱信號(hào)進(jìn)行提取并加以放大。

本系統(tǒng)采用新型鎖相檢測(cè)方法，將模擬和數(shù)字處理方法有機(jī)結(jié)合，以FPGA和單片機(jī)MSP430F6638為控制核心，采用相敏檢波的方法，主要通過(guò)鎖定放大器對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行處理，極大地減小了噪聲干擾，從而大大提高了微弱信號(hào)檢測(cè)的精度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以FPGA和單片機(jī)MSP430F6638為控制核心，包括衰減器、加法器、前置交流放大電路、帶通濾波器、同相電路、反相電路、移相器、開(kāi)關(guān)電路和低通濾波器部分；具體實(shí)現(xiàn)方框圖如圖1所示。

待測(cè)信號(hào)與噪聲信號(hào)可經(jīng)由不同的衰減網(wǎng)絡(luò)衰減得到，其中由同相放大電路構(gòu)成的加法器將噪聲信號(hào)加到待測(cè)信號(hào)中，送到交流放大電路，之后經(jīng)帶通濾波進(jìn)行初次濾波，濾除部分噪聲信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)由同相、反相、移相、開(kāi)關(guān)乘法器和低通濾波器構(gòu)成的相敏檢波模塊，輸出直流信號(hào)。

系統(tǒng)電路以鎖定放大器為核心，將輸入的參考信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形和數(shù)字移相網(wǎng)絡(luò)，利用其輸出的方波驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)乘法器。系統(tǒng)輸出直流信號(hào)通過(guò)ADS1118傳送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后在液晶屏上顯示出待測(cè)微弱信號(hào)的峰值。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 微信號(hào)交流放大

本系統(tǒng)初期采用固定增益的兩級(jí)放大電路，第一級(jí)40倍，第二級(jí)50倍，該增益對(duì)于28uvpp-2.8mvpp的微小信號(hào)具有較好效果。但當(dāng)加入噪聲信號(hào)后，2000倍的放大將會(huì)導(dǎo)致部分范圍信號(hào)截止失真從而無(wú)法采集真實(shí)的信號(hào)有效值。

最終系統(tǒng)采用增益可調(diào)的兩級(jí)放大電路。由于信號(hào)大小范圍不同，所以選取增益分別為2000和200的放大比，并由開(kāi)關(guān)控制反饋電阻的接通從而控制增益，這樣在不同范圍內(nèi)的小信號(hào)經(jīng)放大后均不會(huì)出現(xiàn)失真，取得了較好的放大效果。

2.2 數(shù)字移相網(wǎng)絡(luò)

全通濾波器模擬移相電路。采用一階全通濾波器的移相范圍接近180度，所以通過(guò)設(shè)計(jì)兩級(jí)濾波則可使移相范圍達(dá)到360度。

數(shù)字移相網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字移相網(wǎng)絡(luò)通過(guò)將整形放大后的方波送入FPGA，檢測(cè)其信號(hào)的上升沿并判斷MSP430給出的延時(shí)控制字，延時(shí)一段時(shí)間后輸出一個(gè)高電平，再延時(shí)1KHz方波的半個(gè)周期，然后輸出一個(gè)低電平，直到檢測(cè)下一個(gè)信號(hào)的高電平來(lái)臨。依此循環(huán)，輸出一個(gè)1KHz的方波。通過(guò)這種方法，能夠?qū)⒎讲ㄕ伎毡染_調(diào)整為1：1，并且可精確實(shí)現(xiàn)360°連續(xù)可調(diào)和任意步進(jìn)相位調(diào)節(jié)，從而為掃相提供精確的相位可變的方波。

兩者相比之下，雖然數(shù)字移相法的系統(tǒng)復(fù)雜度增加，但卻能產(chǎn)生較精準(zhǔn)的占空比為1：1的方波，而且可相位連續(xù)調(diào)節(jié)，步進(jìn)間隔小且能夠自動(dòng)掃相，相比于模擬電路方法實(shí)現(xiàn)更加可靠。

2.3 鎖定放大器設(shè)計(jì)

鎖定放大器由信號(hào)通道、參考通道、相敏檢波器以及輸出電路組成，是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器。它利用和被測(cè)信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻、同相的干擾信號(hào)有響應(yīng)。所以它能大幅度抑制干擾信號(hào)，提取出有用信號(hào)。由此可見(jiàn)，鎖相放大器具有極強(qiáng)的抗噪聲能力。它和一般的帶通放大器不同，輸出信號(hào)并不是輸入信號(hào)的放大，而是把交流信號(hào)放大并變成相應(yīng)的直流信號(hào)。

相敏檢波器分為模擬乘法器和開(kāi)關(guān)式乘法器，本設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)式乘法器CD4053。相敏檢波器（PSD）的本質(zhì)其實(shí)就是對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間的相位進(jìn)行檢波，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同頻同相時(shí)，這時(shí)相敏檢波器相當(dāng)于全波整流，檢波的輸出最大。其中圖2為相敏檢波器的基本框圖。

3 相關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)混合加法電路模塊

加法器采用高精度、低失調(diào)精密放大器OPA277，失調(diào)電壓低至0.025mv，且具有極高的共模抑制比，能夠最大程度地抑制前級(jí)噪聲，減小對(duì)后級(jí)的影響。并且由于失調(diào)電壓小，它能很好地解決了因失調(diào)電壓經(jīng)高倍放大所帶來(lái)的截止失真的問(wèn)題，經(jīng)理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量可達(dá)到vo=vs+vn的信號(hào)相加效果，電路簡(jiǎn)單可靠。

3.2 前級(jí)交流放大電路模塊

由于信號(hào)極其微弱易受噪聲影響，本設(shè)計(jì)選用放大器的增益較高、處理頻段較低，運(yùn)放應(yīng)選取低噪聲、低失調(diào)的精密運(yùn)放，同時(shí)應(yīng)考慮增益帶寬積合適。我們采用兩級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)前級(jí)放大。

第一級(jí)選取低噪聲、高精度運(yùn)放OPA228，其噪聲電壓密度為3nV/，帶寬為33MHz。由于其為電壓反饋型運(yùn)放，增益增大時(shí)頻寬變窄，用它來(lái)構(gòu)建小信號(hào)的高增益放大器，可以較好地抑制噪聲，設(shè)置增益為50。同時(shí)為避免直流信號(hào)對(duì)后級(jí)影響，輸出時(shí)進(jìn)行隔直。

第二級(jí)同樣選取OPA228，改變反饋電阻的大小從而實(shí)現(xiàn)增益分別為4倍和40倍的放大，以滿足對(duì)于不同大小范圍的疊加信號(hào)的放大，因?yàn)榍‘?dāng)?shù)姆糯竽軌蚝芎玫靥岣吆蠹?jí)直流檢測(cè)的精度，放大不當(dāng)則會(huì)出現(xiàn)信號(hào)截止失真從而無(wú)法獲取信號(hào)真實(shí)大小。

電路均采用同相放大接法，其輸入阻抗高的特性有利于小信號(hào)的提取，并且有效抑制共模干擾，電路圖如上圖4。

3.3 帶通濾波器模塊

將低通濾波器與高通濾波器串聯(lián)，就可以得到帶通濾波器，因?yàn)檩斎胄盘?hào)的頻率范圍為900Hz～1.1K，所以帶通濾波器的通帶必須包含這個(gè)頻率范圍，代入?yún)?shù)可得帶通濾波器電路為圖5。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，采用了TI專業(yè)的濾波器設(shè)計(jì)軟件FilterPro，并將所得電路在TINA中進(jìn)行仿真及參數(shù)修改，以便于實(shí)際焊接。

3.4 相敏檢波器模塊

帶通濾波器的輸出VOUT1同時(shí)經(jīng)過(guò)同相和反相跟隨器后，輸入到開(kāi)關(guān)乘法器CD4053；然后另一路將參考電源VREF先經(jīng)過(guò)放大整形，接著經(jīng)過(guò)數(shù)字移相網(wǎng)絡(luò)，然后經(jīng)過(guò)方波驅(qū)動(dòng)電路即非門，得到5V電壓方波去驅(qū)動(dòng)CD4053，相敏檢波后的輸出經(jīng)過(guò)低通濾波器即可得到與信號(hào)幅值相關(guān)的直流信號(hào)，從而得到了微弱信號(hào)的幅值。具體電路為圖6。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)制作的微弱信號(hào)檢測(cè)儀基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱小信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量與顯示。微弱信號(hào)幅度有效值為 10μV～1mV，測(cè)量誤差小于5%。引入干擾信號(hào)測(cè)試，當(dāng)干擾信號(hào)與測(cè)試信號(hào)1：1或10：1時(shí)，測(cè)量誤差仍能穩(wěn)定在5%以內(nèi)。本系統(tǒng)中數(shù)字移相網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)或步進(jìn)移相360度，可手動(dòng)設(shè)置步進(jìn)間距，且步進(jìn)間距任意可調(diào)，效果良好。通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)測(cè)試模式的切換與顯示，人機(jī)交互界面良好。

其中測(cè)量誤差主要和直流電源的紋波，系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及AD的精度有關(guān)。本系統(tǒng)目的是進(jìn)行微弱信號(hào)的檢測(cè)，所以本系統(tǒng)最大的影響在于系統(tǒng)噪聲的影響。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考慮整體的布局，各個(gè)模塊之間的影響，以及對(duì)各芯片的選擇，例如速度、噪聲、擺率、供電電壓等，針對(duì)不同作用選擇最佳芯片。在電路焊接時(shí)注意布線布局，要做到單點(diǎn)供電。同時(shí)要求電源的紋波要盡可能的小，降低對(duì)系統(tǒng)性能的影響。盡可能地降低系統(tǒng)的噪聲，從而提高測(cè)量精度。本工作得到武漢大學(xué)設(shè)備處開(kāi)放實(shí)驗(yàn)基金項(xiàng)目大力支持，在此表示感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃根春.電子設(shè)計(jì)教程.第一版.北京：電子工業(yè)出版社，2007年8月.

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

[3] 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013-07-01.

[4] 于麗霞，等.微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)綜述[J].信息技術(shù)，2007，（2）：115-116.

[5] 陳銀根，等.微弱信號(hào)檢測(cè).數(shù)字相關(guān)技術(shù)的研究[J].江西科學(xué)，2004，22（4）：268-271.

[6] 宋改青.鎖相放大器的應(yīng)用及數(shù)字化設(shè)計(jì)[D].太原：山西大學(xué)，2006.

基金項(xiàng)目：武漢大學(xué)設(shè)備處開(kāi)放實(shí)驗(yàn)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：WHU-2017-610400011）

作者簡(jiǎn)介：楊志東（1974-），男，湖北武漢人，計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)碩士，武漢大學(xué)本科生院實(shí)踐教學(xué)辦副主任，研究方向?yàn)榇髮W(xué)生實(shí)踐教學(xué)、學(xué)科競(jìng)賽組織與管理。