微弱信号检测装置A题.docx
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微弱信号检测装置A题
TI杯电子设计大赛
微弱信号检测装置（A题）
【设计报告】
本科组
摘要
微弱信号是相对于背景噪声而言的，其信号幅度的绝对值很小、信噪比很低的一类信号。
微弱信号检测是一门新兴的技术学科它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。
本系统为基于MSP430G2553的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，并数字显示出该幅度值。
它能精确测量电压的频率范围500Hz～2KHz，电压范围20mV～2V。
以模拟电路为主，配合加法器模块、降压模块、放大模块、滤波模块、锁相环模块、移相电路、、模块、乘法器模块、有效值转换模块（AD637）、A/D转化模块、显示模块；通过MSP430单片机进行数据处理，在误差允许范围内通过NOKIA_5110显示测量的幅度值。
通过调试与测量检测电路具有高输入阻抗（输入阻抗≥1MΩ）；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；宽电压范围（200mV～2V）,高精度（电压测量误差±5%的优越性能。
可满足多方位的需要。
完成了题目的基本部分和全部发挥部分的要求并有自己的创新。
关键字：
MSP430G2553单片机；高精度；微弱信号检测
目录
1系统方案1
1.1有效值测量模块的论证与选择1
1.2显示模块的论证与选择1
1.3模拟乘法器的设计方案论证与选择1
2系统理论分析与计算2
2.1有效值转换的分析2
2.1.1AD637芯片简介2
2.1.2真有效值转换2
2.2AD转换的计算2
2.3保护电路自动切换的计算2
2.3.1分档设置2
2.3.2放大量程切换的计算2
2.4滤波计算的分析3
3系统电路与程序分析与计算3
3.1电路的设计3
3.1.1系统总体框图3
3.1.2锁相环子系统框图与电路原理图3
3.1.3有效值转换子系统框图与电路原理图4
3.1.4保护与放大档位选择子系统框图与电路原理图5
3.1.5移相电路模块6
3.2程序的设计6
3.2.1程序功能描述与设计思路6
3.2.2程序流程图6
4测试方案与测试结果8
4.1测试方案8
4.2测试条件与仪器9
4.3测试结果及分析9
4.3.1测试结果（数据）9
4.3.2测试分析与结论9
附录1：
部分源程序10
微弱信号检测装置（A题）
1系统方案
本系统主要由控制模块、显示模块、有效值测量模块、电源模块组成、锁相环模块、乘法器模块，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1有效值测量模块的论证与选择
方案一：
用分立元件搭焊高频放大电路。
用精密整流电路测量输入信号的真有效值。
这种方案成本较低。
但是这种电路结构复杂，调试困难，精度低，温漂大，稳定度低。
而且，放大电路的放大倍数难以准确控制，导致放大和测量的结果不准确。
方案二：
用峰值检测电路
峰值检测电路的作用是对输入信号的峰值进行提取，用TI的LM358和TLC372组成峰值检测电路，电路简单，价格便宜。
但此处因为是小信号，所以要求转换精度要求较高。
方案三：
用优质运算放大器做前级跟随放大
AD637是专用真有效值转换芯片做有效值转换。
通过合理的选择各级运放，可以做到电路简单可靠，输入阻抗高、测量精度高、近似无级量程转换的优良性能。
这种方案成本较高。
综合以上二种方案，选择方案二。
1.2显示模块的论证与选择
方案一：
采用动态数码管显示
此方案是靠人眼的视觉暂留效应和循环扫描的方式实现动态显示的，这种显示方案具有实现简单、显示亮度高和显示稳定等优点。
但系统需要显示的信息量较大，并且要显示英文字母等信息，采用数码管显示技术很难实现这一要求。
方案二：
LCD1602
1602液晶显示该显示器是一款比较常用的液晶显示器，驱动程序简单，使用方便，显示效果优于数码管。
但只可以显示数字和字符，显示有局限。
方案三：
NOKIA_5110
不仅可以显示数字和字母，还可以显示中文汉字，有良好的人机交互界面。
就本系统而言，其性价比要优于前两个方案。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.3模拟乘法器的设计方案论证与选择
方案一：
采用模拟乘法器芯片AD834
AD834是高性能的、四象限模拟乘法器，具有宽宽的特点，可以达到500MHZ。
但是调试很困难，影响控制。
方案：
采用模拟电压乘法器AD835
采用模拟电压乘法器AD835。
AD835也能实现所要求的功能，而且成本相对低，也相对要好调些。
方案三：
采用模拟开关CD4051
CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关,通过与小信号同相的方波控制，只将小信号的正半周通过。
控制简单，而且成本较低。
所以综上所述，选择方案三，利用CD4051模拟乘法器。
2系统理论分析与计算
2.1有效值转换的分析
2.1.1AD637芯片简介
AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。
它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽和动态范围与分立和模块式设计相当。
AD637提供波峰因数补偿方案，允许以最高为10的波峰因数测量信号，额外误差小于1%。
宽带宽允许测量200mV均方根、频率最高达600kHz的输入信号以及1V均方根以上、频率最高达8MHz的输入信号。
2.1.2真有效值转换
一个交变信号的有效值的定义为：
V=√（1/T）∫（V²t）dt
（1）
这时，VRMS为信号的有效值，T为测量时间，V（t）是信号的波形。
V（t）是一个时间的函数，但不一定是周期性的。
对等式的两边进行平方得：
V²=（1/T）∫（V²t）dt
（2）
右边的积分项可以用一个平均来近似,这样式
（2）可以简化为：
VRMS2=Avg[V2（t）] （4）
等式两边除以VRMS得：
VRMS={Avg[]V2（t）}}VRMS （5）
这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础、AD公司的真有效值直流变换器也正是采用了这一原理。
AD637是ADI的一款单片集成高精度真有效值转换芯片，0.2V有效值输入时，频响为600K，而当输入信号有效值高于1V是，频响可高达8M。
2.2AD转换的计算
MSP430G2553内部自带10位快速DA，可以选择其内部参考电压，转换公式为：
ADValue=ADC10MEM*2500/1024
这里对应参考电压2.5V。
2.3保护电路自动切换的计算
2.3.1分档设置
本系统分为2个档位（放大1倍、放大10倍），用继电器控制程控放大器PGA202实现。
同时使用继电器保护电路。
2.3.2放大量程切换的计算
信号通过继电器分为外两个档位：
200MV~2V因不超过AD量程，所以直接通过有效值转化模块给AD采集。
ADValue=ADValue
另一档位20MV~200MV因信号太小需要先通过10倍升压转化为AD有效范围的信号经过有效值转换后经AD采集单片机处理。
公式为：
ADValue=ADValue/10
2.4滤波计算的分析
需测量的信号有时会有外部的干扰，如突然来一个高信号或者低信号，为了消除误差，单片机需要对待测量的信号进行一个软件滤波。
这里就采用系数滤波算法：
AD采集100个值按升序排列，new_AD保存最中间值。
New_AD=Result[50]
Old_AD=New_AD*0.1+Old_AD*（0.9）
3系统电路与程序分析与计算
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
图3.1.1系统总体框图
3.1.2锁相环子系统框图与电路原理图
1、锁相环子系统框图
LM567为通用锁相环电路音调译码器，LM567的基本工作状况犹如一个低电源开关，当其接受到一个位于所选定的窄带内的输入音调时，其开关就接通。
而且通用的LM567还可以用作可变形发生器或通用锁相环电路。
当其作用音调控制开关时，所检测的中心频率可以设定于0.1至500KHz之间的任意值，检测带宽可以设定在中心频率14%内的任意值。
图3.1.2锁相环子系统框图
3.1.3有效值转换子系统框图与电路原理图
1、有效值子系统电路
AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。
它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽和动态范围与分立和模块式设计相当。
图3.1.3有效值转换子系统电路
3.1.4保护与放大档位选择子系统框图与电路原理图
继电器是一种电控制器件。
它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。
通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
图3.1.4保护与放大子系统电路
3.1.5移相电路模块
用双运放作移相电路，接于电路中的电容和电感均有移相功能,电容的端电压落后于电流90度,电感的端电压超前于电流90度,这就是电容电感移相的结果。
图3.1.5移相模块电路原理图
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现AD采集转换、模拟开关的控制和显示部分。
1）继电器实现功能：
实现智能量程转换功能、将放大分为二档，（放大1倍、放大10倍）。
2）显示部分：
用NOKIA_5110显示微弱正弦波信号的幅度值。
2、程序设计思路
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
2、测量子程序流程图
3、放大档位转换子程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
查看硬件是否有原理图不正确，布线不正确，是否短路等，观察上电后是否能正常工作。
2、软件仿真测试
软件单步，全速调试，看程序是否能达到预期效果。
3、硬件软件联调
将程序下载到单片机中，上电后观察波形是否失真，显示是否正常，按键能否工作。
4.2测试条件与仪器
测试条件：
检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：
高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果（数据）
1KHZ信号测试结果如下表所示：
（单位/mV）
信号值
200
250
300
显示
201
251
302
信号值
350
400
500
显示
353
400
514
信号值
1000
1500
2000
显示
1015
1513
2007
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：
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、本系统能够测量200mV～2V微弱正弦信号的幅度值。
4、电压测量误差5%以内.
综上所述，本设计达到设计要求。
附录1：
部分源程序
voidinitadc10（void）
{
ADC10CTL0=SREF_1+ADC10SHT_2+REFON+ADC10ON+ADC10IE+REF2_5V;//SREF_1+REFON+REF2_5V表示使用内部参考电压2.5v
__enable_interrupt（）;//Enableinterrupts.
TACCR0=30;//DelaytoallowReftosettle
TACCTL0|=CCIE;//Compare-modeinterrupt.
TACTL=TASSEL_2|MC_1;//TACLK=SMCLK,Upmode.
LPM0;//Waitfordelay.
TACCTL0&=~CCIE;//DisabletimerInterrupt
__disable_interrupt（）;
ADC10CTL1=INCH_1;//inputA1
ADC10AE0|=0x02;//PA.1ADCoptionselect
}
while
（1）
{
//LCD_menu（）;
unsignedinti;
ADC10CTL0|=ENC+ADC10SC;//Samplingandconversionstart
__bis_SR_register（CPUOFF+GIE）;//LPM0,ADC10_ISRwillforceexi
for（i=0;i<39;i++）
{
num[i]=ADC10MEM;
}
new_AD=num[20];
old_AD=new_AD*0.01+old_AD*（0.99）;
sum=old_AD*2500/1024;
Display（sum）;
}
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