郭新興 路彤輝 靳釗釗 樊遠(yuǎn) 郭文旭
【摘要】本系統(tǒng)以超低功耗MSP430G2553作為處理核心,用OPA244、OPA2237、LM324N、LM3119等實現(xiàn)對微弱信號的檢測。該電路由信號調(diào)理模塊、移相器模塊、相敏檢波器和數(shù)碼管四個模塊組成。信號調(diào)理模塊包括加法器,交流放大器,四階帶通濾波器,信號調(diào)理電路子模塊,其具有微弱信號放大和調(diào)理、抑制干擾和噪聲的作用。移相器模塊由多個比較器,積分器組成,實現(xiàn)與被測信號的同步,產(chǎn)生可180°移相的方波傳輸給MCU,由數(shù)碼管顯示被測信號的幅度。
【關(guān)鍵詞】微弱信號;移相器;msp430;相敏檢波器
1.鎖相放大器設(shè)計原理
根據(jù)相關(guān)接收原理,在相關(guān)接收中,可以把兩個信號的函數(shù)f1(t)和f2(t)的相關(guān)函數(shù)定義為:
它是度量一個隨機(jī)過程在時間t和兩時刻線性相關(guān)的統(tǒng)計參數(shù),如果f1(t)和f2(t)完全沒有關(guān)系,則相關(guān)函數(shù)將是一個常數(shù)。
下面我們設(shè)有兩個信號x(t)、y(t)為:
其中n1(t)、n2(t)為噪聲,Vs(t)為待測信號,Vr(t)為參考信號。則相關(guān)函數(shù)為:
展開得:
因為信號和噪聲不相關(guān),且噪聲的平均值為零,所以都為零。故:
這樣我們可以看到,兩個信號經(jīng)過相乘和積分處理后就可以把噪聲抑制,鎖相放大器的核心就是根據(jù)這個原理設(shè)計的。
2.設(shè)計方案的論證
如圖1所示,該方案將數(shù)字脈沖電位器用模擬移相器取代,其中移相器是由多個小模塊依次作為輸入產(chǎn)生不同的波形,最終實現(xiàn)將正弦信號調(diào)整為相位不同的方波信號。且該處采用模擬器件容易實現(xiàn),便于分級檢測輸出的波形,及時對硬件電路進(jìn)行修正和改進(jìn)。
圖1
3.硬軟件設(shè)計
3.1 硬件的總體設(shè)計
通過理論分析,該系統(tǒng)主要由由三部分組成,即:信號通道,參考通道和其他相關(guān)器。加法器將被測信號S(t)和噪聲信號n(t)以1:1疊加后通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將疊加后的信號進(jìn)行衰減。信號通道由放大器和帶通濾波器組成,其作用是把微弱信號放大到足以推動相關(guān)器的工作電平,并兼有抑制和濾掉部分干擾和噪聲,擴(kuò)大儀器動態(tài)范圍的性能;參考通道由觸發(fā)整形和移相器組成,其作用是產(chǎn)生與被測信號同步的對稱方波,再由方波驅(qū)動給相關(guān)器;相關(guān)器由數(shù)字相敏檢波器組成,是鎖定放大的核心部件,具有動態(tài)范圍大、漂移小、時間常數(shù)可調(diào)等性能。最后由LCD顯示被測信號的幅度。系統(tǒng)的整體框圖設(shè)計如圖2所示。
圖2
3.2 功能模塊
(1)加法器
①實現(xiàn)噪聲與信號的1:1疊加的原理(如圖3所示)
圖3 實現(xiàn)噪聲與信號的1:1疊加的原理框圖
參數(shù)的計算:
為了使運(yùn)放兩個輸入端的電阻對稱平衡,要求R1//R3=R2//R4,輸出電壓的表示式為U0=(1+R3/R1)(K1U1+K2U2),其中K1=R4/(R2+R4),K2=R2/(R2+R4)。
②調(diào)理電路
由于帶通濾波器輸出的信號為雙極性的,而AD采樣的值必須是大于零的,通過調(diào)理電路將帶通濾波器輸出的信號和直流分量疊加使之成為單極性波。
(2)純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)
經(jīng)過加法電路后,輸出的電壓經(jīng)過電阻分壓后輸出,通過調(diào)節(jié)R5/R6的比值來控制純電阻網(wǎng)絡(luò)的衰減系數(shù)。
(3)交流放大器
a.原理:
同相比例放大電路的輸入信號是從集成運(yùn)放的同相輸入端引入,輸出信號按比例放大,并與輸入信號同相。電壓放大倍數(shù)為。
b.交流放大器的實現(xiàn):
通過該公式:
實現(xiàn)交流放大器的兩級放大,一級放大為40倍(該倍數(shù)可調(diào)節(jié)至100倍左右,且保證不失真),二級放大為25倍(該倍數(shù)可調(diào)節(jié)至100倍左右,且保證不失真),因此該二階放大器的放大倍數(shù)為40*25=1000倍。
(4)四階帶通濾波器
FilterPro軟件的使用:運(yùn)算放大器的一類應(yīng)用就是做有源濾波器,只需要輸入想要得到的濾波器參數(shù),TI會幫助計算外圍電路中繁多的R,C值。
該四階帶通濾波器就是根據(jù)軟件設(shè)計的濾波器 ,其幅頻特性曲線如圖4所示:
圖4 四階帶通濾波器的幅頻特性
(5)模擬移相器
模擬移相器的電路模塊如圖5所示。輸入1KHz的正弦信號,經(jīng)過零比較器(LM324),輸出占空比為50%的方波,經(jīng)過一級的積分器和遲滯比較器,輸出占空比可調(diào)的方波,再經(jīng)過一級的積分器,遲滯比較器和二極管輸出大于零的方波,最后將該方波作為時鐘信號輸送給MCU內(nèi)部的A/D。
圖5 模擬移相器電路圖
(6)數(shù)碼管顯示
采用數(shù)碼管顯示,其亮度高、體積小,編程較容易,資源占用較少。直接顯示幅度值。
3.3 軟件設(shè)計
該系統(tǒng)主要部分應(yīng)用模擬電路實現(xiàn),只有相敏檢波器應(yīng)用數(shù)字電路實現(xiàn),因此,該處只對該相敏檢波器進(jìn)行說明。相敏檢波器原理:給單片機(jī)內(nèi)部輸入一個幅度為1,頻率為1KHz的正弦信號。在方波的下降沿來臨時,開始對該信號進(jìn)行等間隔采樣,且每周期采6個點(diǎn),若采118個點(diǎn),則需采樣20個周期。兩次所采的點(diǎn)對應(yīng)相乘,由Sn?=(SnSinx)?+(Sncosx)?可求得信號的幅度。
4.四階帶通濾波器測試的數(shù)據(jù)與分析
頻率/Hz 增益
850 0.58
900 0.73
950 0.92
1000 0.993
1050 0.869
1100 0.67
1200 0.42
1250 0.36
結(jié)果分析:由表格中數(shù)據(jù)分析可知,信號通道的3dB頻帶范圍為900Hz-1100Hz時,誤差小。
5.總結(jié)
本系統(tǒng)屬于精細(xì)測量儀器,其硬件電路,尤其是模擬部分電路的設(shè)計十分關(guān)鍵。特別是前端微弱信號相關(guān)的電路,需要仔細(xì)處理各種細(xì)節(jié)問題。另外電路設(shè)計上運(yùn)放電源端應(yīng)該加去耦電容去除電源紋波的影響。在軟件設(shè)計的時候,難點(diǎn)不是在于各個模塊功能的實現(xiàn),而是最終的組合。軟件設(shè)計的過程中至關(guān)重要的是,注意信號的同步。
參考文獻(xiàn)
[1]高晉占編著.微弱信號檢測[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.
[2]揚(yáng)拴科主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2003.
[3]高西全,丁玉美編著.數(shù)字信號處理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.
[4]http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/opa2277.pdf.
作者簡介:
郭新興(1993—),大學(xué)本科,現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院自動化專業(yè),參加了2014年陜西省電子設(shè)計大賽,并參與了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目與學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項目。
路彤輝(1996—),大學(xué)本科,現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院自動化專業(yè),參加了2014年陜西省電子設(shè)計大賽,并參與了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目與學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項目。
靳釗釗(1995—),大學(xué)本科,現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院自動化專業(yè),參加了2014年陜西省電子設(shè)計大賽,并參與了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目與學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項目。
樊遠(yuǎn)(1994—),大學(xué)本科,現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院自動化專業(yè),參加了2014年陜西省電子設(shè)計大賽,并參與了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目與學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項目。
郭文旭(1993—),大學(xué)本科,現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院自動化專業(yè),參加了2014年陜西省電子設(shè)計大賽,并參與了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目與學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項目。