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微弱信号检测
微弱信号检测电路实验报告
课程名称：
微弱信号检测电路
专业名称：
电子与通信工程＿＿＿
年级：
＿＿＿＿＿＿＿
学生姓名：
＿＿＿＿＿＿
学号：
＿＿＿＿＿
任课教师：
＿＿＿＿＿＿＿
微弱信号检测装置
摘要：
本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下，识别出已知频率的微弱正弦波信号，并将其放大。
该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路组成。
其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路完成微小信号的检测。
本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过比较器产生方波去驱动开关乘法器CD4066，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号。
经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。
关键词：
微弱信号检测锁相放大器相敏检测强噪声
1 系统设计
1.1设计要求
正弦波信号源
微弱信号
检测电路
噪声源
VS
VN
VC
Vo
纯电阻
分压网络
输出
加法器
Vi
A
B
C
D
E
设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。
整个系统的示意图如图1所示。
正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。
噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。
图中A、B、C、D和E分别为五个测试端点。
图1微弱信号检测装置示意
（1）基本要求
1 噪声源输出VN的均方根电压值固定为1V0.1V；加法器的输出VC=VS+VN，带宽大于1MHz；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。
2 微弱信号检测电路的输入阻抗Ri≥1M。
3 当输入正弦波信号VS的频率为1kHz、幅度峰峰值在200mV~2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。
（2）发挥部分
1 当输入正弦波信号VS的幅度峰峰值在20mV~2V范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。
2 扩展被测信号VS的频率范围，当信号的频率在500Hz~2kHz范围内，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。
3 进一步提高检测精度，使检测误差不超过2%。
4 其它（例如，进一步降低VS的幅度等）。
1.2方案比较与选择
方案一：
采用滤波电路检测微小信号，通过滤波电路将微小信号从强噪声中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，所以该方案不可行。
方案二：
采用取样积分电路检测小信号，利用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善
倍，但这种方法取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。
方案三：
采用锁相放大器检测小信号，锁相放大器由信号通道、参考通道、和相敏检波器等组成，其中相敏检波器（PSD）是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有很好的检波特性。
由于该测试信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适合于锁相放大器的工作情况，故选择方案三。
2 电路设计
1.加法电路
一、交流放大与噪声的施加
微弱信号通常被大幅值的噪声信号淹没，本项目中模拟产生一个微弱信号，并将其与噪声叠加，图1采用了同相加法电路，芯片选用OPA227P。
噪声源采用虚拟仪器——Agilent函数发生器产生。
设置将Agilent函数发生器的噪声峰峰值设为4V，信号源设为200mV，频率设为1kHz。
示波器测量加法器的输出，其输出信号如图2所示。
图1同相加法电路
图2信号与噪声叠加输出波形
2.纯电阻衰减电路
本项目是微弱信号的检测，所以需要将上述叠加有噪声的信号用纯电阻分压衰减，衰减后的输出信号，才是本项目要检测的微弱信号。
纯电阻衰减倍数为
=2/（200+2）=101，电路如图3所示。
图3纯电阻衰减电路
3.INA128p放大电路
INA128是低功耗高精度的通用仪表放大器。
用于纯电阻衰减后的第一级，微弱信号检测电路中，多级放大中的第一级放大倍数要高，而且必须为低噪声运放。
这样放大电路产生的噪声才低。
本设计中放大倍数设计的是
，当Rg=250Ω时，放大201倍，电路如图4所示。
图4INA128放大电路
4.带通滤波电路
Mutism13.1软件自带有带通电路设计功能，在带通滤波电路中，由一个二阶低通滤波器和一个二阶高通滤波器级联构成，有源带通滤波器选择契比雪夫滤波器，低通截止频率为200Hz，高通截止频率7.5KHz，即带宽为200-7.5kHz。
生成电路如图5所示。
用波特仪观察幅频特性在1KHz处放大1倍，在200Hz和7.5Khz处衰减到0.707倍，衰减3dB。
使用虚拟仪器波特测试仪幅频特性如下图6所示。
图5带通滤波电路
图6幅频特性图
5.直流放大电路
直流放大电路采用反相放大，分别是2倍和20倍，为使得误差小于5%，分别设计了实现B倍和10B倍放大。
芯片采用OPA2227反相放大。
电路图如图7所示，该设计中只用到了10B放大。
图7直流放大电路
6.A倍和-A倍放大电路
运放选择OPA2227P芯片做一倍反相放大1倍，为相敏检测S2输入与S1信号相差180°的正弦信号。
电路图如图8所示。
图8-A倍放大电路
7.乘法器相敏检测电路
相敏检测器是锁定放大器的关键部件，完成被测信号与参考信号的相乘运算，即乘法器，实现频谱的迁移，相敏检测采用芯片选用CD4066，双向模拟开关。
当参考信号为方波时，经过相敏检测后，电路图如图9所示。
图9CD4066相敏检测电路及输出波形
8.参考通道中的放大电路
放大电路在1B和10B处采用的反相放大，参考通道中也同样需要反相，才能使波形相近，电路采用TL084IN做运放，放大10倍。
电路如图10所示。
图10参考通道中的放大电路
9.移相电路
参考通道中移相采用TL084IN运放，要求
，本系统采用的是0°~180°移相。
本电路在调节滑动变阻器后需关闭仿真后重新打开仿真才能看到移相的效果。
电路图如图11所示。
图110~180°移相电路
10.参考通道中的方波驱动
参考通道中的方波驱动采用OPA2277P运放，电路图如图12所示，输出波形如图13所示。
图12参考通道中的方波驱动
图13方波输出波形
11.低通滤波电路
低通电路作用起低通滤波作用。
时间常数τ=RC=0.1s，根据f=1/2πRC，τ越大，通频带宽度才会窄，抑制噪声能力强。
该电路中截止频率为1Hz，输出
，
=1电路如图14所示。
图14低通滤波电路
3 仿真分析
1.仿真分析
检测信号峰值0.05mV，频率为1KHz时，直流放大倍数为1倍,各检测点波形图如下。
（1）加法器和纯电阻分压后的输出波形
通道A波形为信号通过加法器的输出波形，通道B为信号通过纯电阻分压网络后输出波形。
（2）A倍和-A倍放大电路
通道A为-A倍放大，通道B为A倍放大。
（3）参考通道的方波
（4）IN1和S1信号经波特图相位相差约0°
（5）相敏检测器输出波形（CD4066输出端波形）
2.无噪声分析
（1）低通滤波器输出
τ=0.1s数据分析为0.5~0.8s后，数据达到平衡。
（2）噪声分析
总噪声功率为：
（20倍放大）
噪声电压为：
≈0.44mV
最小可检测电压：
0.44mV
3.加入噪声分析
噪声输入峰峰值电压为4V。
（1）低通滤波器输出
（2）噪声分析
总噪声功率为：
（20倍放大）
噪声电压为：
：
≈0.44mV
最小可检测电压：
0.44mV
4.放大范围分析
无噪声时，放大分析输入幅值200mV1Khz正弦信号，分析如下：
理论：
0.2V*（1/101）*201*20*（2/π）=5.09V
实际：
5.02V
相对误差：
1.39%
以1KHz200mV做信号源，测量输出为5.09V，放大25.45倍。
为保证系统放大误差在≤5%以内，经测算该系统在无噪声下，输出放大范围约为20~450mV，无噪声和有噪声列出图表如下：
当输入信号为1KHz时不同的输入信号得到的结果如下表：
输入信号峰值
20mV（10B）
50mV（10B）
200mV（10B）
400mV（10B）
450mV（10B）
低通输出信号有效值和误差（无噪声）
482mV
（5.38%）
1.24V
（1.6%）
5.02V（1.39%）
10.03V（1.49%）
10.87V（5.3%）
低通输出信号有效值（有噪声）
426mV
1.05V
5.01V
9.34V
10.10V
同理：
当输入信号为500Hz时不同的输入信号得到的结果如下表：
输入信号峰值
20mV（10B）
50mV（10B）
200mV（10B）
400mV（10B）
450mV（10B）
低通输出信号有效值（无噪声）
468mV
1.22V（4.10%）
4.97V（2.41%）
9.95V（2.31%）
10.71V（6.91%）
低通输出信号有效值（有噪声）
V
0.91V
4.01V
9.85V
V
5.总电路图
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