趙 琳,喬延華

（天津天獅學(xué)院，天津，301700）

微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙 琳,喬延華

（天津天獅學(xué)院，天津，301700）

研究磁流體薄膜在可調(diào)諧光濾波器中應(yīng)用的過(guò)程中，攜帶有用信息的光信號(hào)是微弱信號(hào)，很容易被淹沒(méi)在很強(qiáng)的噪聲或其他干擾的背景中，因此必須通過(guò)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)將經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換后的微弱電信號(hào)提取出來(lái)。本文完成了利用鎖相放大器進(jìn)行有用信號(hào)提取的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要由交流放大器、帶通濾波器、相敏檢波器、低通濾波器、直流放大器、移相器等組成。

鎖相放大器；微弱信號(hào)檢測(cè)；相敏檢測(cè)

研究磁流體薄膜在可調(diào)諧光濾波器中應(yīng)用的過(guò)程中，需要測(cè)量經(jīng)過(guò)不同性質(zhì)磁流體薄膜后光信號(hào)的特征，而光信號(hào)經(jīng)光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換后得到的電信號(hào)是微弱信號(hào)，很容易被噪聲淹沒(méi)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，將微弱信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，從而分析光信號(hào)的特征，來(lái)確定磁流體薄膜的光學(xué)特征，進(jìn)而應(yīng)用在可調(diào)諧光濾波器中。

微弱信號(hào)檢測(cè)中最常用的是相關(guān)檢測(cè)法。相關(guān)檢測(cè)法利用鎖相放大技術(shù)，通過(guò)互相關(guān)原理，使待測(cè)的微弱信號(hào)和頻率相同的參考信號(hào)能夠在相關(guān)器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān)，以此來(lái)檢測(cè)出深埋在大量非相關(guān)噪聲中的有用信號(hào)[1,2]。

本文完成了基于鎖定放大器的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置，用來(lái)檢測(cè)在噪聲背景下已知頻率的微弱信號(hào)的幅值。測(cè)試過(guò)程中，將噪聲信號(hào)加到待測(cè)信號(hào)中，使信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中，然后送到微弱信號(hào)檢測(cè)電路中。微弱信號(hào)檢測(cè)以相敏檢波器為核心，將經(jīng)過(guò)處理的參考信號(hào)和待測(cè)信號(hào)輸入相敏檢波器，然后經(jīng)過(guò)低通濾波和直流放大輸后檢測(cè)出待測(cè)的微弱信號(hào)并顯示出其有效值。

1 微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)原理

本設(shè)計(jì)由交流放大器、帶通濾波器、相敏檢波器、低通濾波器、直流放大器、移相器等組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的輸入有兩路信號(hào)，一路為被測(cè)的微弱信號(hào)，此路信號(hào)是由待檢測(cè)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換來(lái)的。待檢測(cè)光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器PIN光電二極管，并經(jīng)PIN光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后作為被檢測(cè)的微弱信號(hào)進(jìn)入微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的一端。

另一路為參考信號(hào)，因?yàn)橐蠛徒?jīng)過(guò)放大后的輸入信號(hào)同相，所以先經(jīng)過(guò)移相電路，然后作為參考信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器的另一端，最后鎖相放大器的輸出信號(hào)再通過(guò)低通濾波電路濾除高頻分量，得到正比于原始參考信號(hào)的直流分量。[3]

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 交流放大器的設(shè)計(jì)

圖2 交流放大器電路

交流放大器采用運(yùn)放INA128構(gòu)成兩級(jí)放大電路，第一級(jí)電路采用串聯(lián)反饋，第二級(jí)采用電壓反饋。通過(guò)調(diào)整滑動(dòng)變阻器的值，可以實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的變化，對(duì)輸入信號(hào)范圍1uV～100mV分別進(jìn)行不同選擇的放大。

2.2 帶通濾波器的設(shè)計(jì)

圖3 帶通濾波器電路

帶通濾波器采用美國(guó)Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源濾波器UAF42，具有很高的精度，通過(guò)改變UAF42的電路參數(shù)可以構(gòu)成高通、低通、帶通、帶阻濾波器。

2.3 移相器的設(shè)計(jì)

圖4 移相器電路

移相器的設(shè)計(jì)采用三級(jí)移相，將RC與運(yùn)放聯(lián)系起來(lái)組成有源移相電路，可將參考信號(hào)做超前或滯后的移動(dòng)。保證參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)相位相同。

模擬移相電路其實(shí)就是一個(gè)全通濾波電路，它的放大倍數(shù)Au=（-1+jw*RC）/(1+jw*RC)，寫(xiě)成模和相角的形式為：

其中f0=1/（2πRC）。每個(gè)濾波器相移范圍均接近120°，當(dāng)采用三個(gè)一階濾波器串聯(lián)，如圖4所示，可使得整個(gè)移相電路能做到接近360°的相移范圍。

2.4 相敏檢波器的設(shè)計(jì)

圖5 相敏檢波器

鎖相放大器是信號(hào)解調(diào)的關(guān)鍵步驟，而相敏檢波器又是鎖相放大器的核心。它可以在信噪比非常低的情況下還原想要的信號(hào)。[4]本設(shè)計(jì)采用鎖相放大芯片AD630，AD630是一款高精度的平衡調(diào)制器，可被看作是一個(gè)精密運(yùn)算放大器，有兩個(gè)獨(dú)立的差分輸入級(jí)和一個(gè)精確的比較器。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要求1、16腳接放大后的輸入信號(hào)，9腳接移相后的參考信號(hào)，13腳則是解調(diào)后信號(hào)的輸出端。

上式右邊第一項(xiàng)為差頻項(xiàng)，第二項(xiàng)為和頻項(xiàng)。經(jīng)過(guò)LPF的濾波作用，的差頻項(xiàng)及所有的和頻項(xiàng)均被濾除，只剩的差頻項(xiàng)為

當(dāng)方波幅度時(shí)，可以利用電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)方波信號(hào)的相乘過(guò)程，即當(dāng)為+1時(shí)，電子開(kāi)關(guān)的輸出連接到；當(dāng)為 -1時(shí)，電子開(kāi)關(guān)的輸出連接到，這時(shí)LPF的輸出為

當(dāng)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)乘法器，角度之差為0時(shí)，輸出信號(hào)最大。

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

3.1 帶通濾波器測(cè)試

信號(hào)通道的中心頻率為1KHz，3dB頻帶范圍為900Hz~1100Hz。誤差小于20%。

圖6 帶通濾波器相頻特性曲線

3.2 移相器測(cè)試

移相器的輸入信號(hào)R（t）為正弦波信號(hào)，參考通道的輸出信號(hào)R’（t）的相位相對(duì)參考信號(hào)R（t）連續(xù)移相。三級(jí)移向后能達(dá)到360°的移相范圍。

圖7 三級(jí)移相器的測(cè)試圖形

3.3 相敏檢波器的測(cè)試

相敏檢波器有兩路輸入信號(hào)，一路輸入信號(hào)為x（t），是被測(cè)信號(hào)S（t）經(jīng)過(guò)交流放大器和帶通濾波器后的輸出信號(hào)。另一路輸入信號(hào)為參考信號(hào)R(t)經(jīng)過(guò)移相器、整形觸發(fā)、方波驅(qū)動(dòng)電路后的信號(hào)r(t)。

圖8 相敏檢波器的測(cè)試圖形

圖8中上面的波形是相敏檢波器的輸出，下面的波形為經(jīng)過(guò)低通濾波和直流放大器后的輸出信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文概述了微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。在鎖相放大器的研制過(guò)程中，對(duì)其功能實(shí)現(xiàn)和精度提高上做了大量實(shí)驗(yàn)，并獲得一定成效。該鎖相放大器在利用激光吸收光譜技術(shù)進(jìn)行磁流體薄膜光學(xué)特性檢測(cè)的系統(tǒng)中，能有效地檢測(cè)出淹沒(méi)在很強(qiáng)噪聲中的攜帶有用信息的微弱信號(hào)。

[1] Sikora, Bednarz L. The implementation and the performance analysis of the multi-channel software-based lock-in amplifier for the stiffness mapping with atomic force microscope (AFM)[J]. Bulletin of the Polish Academy of Sciences-Technical Sciences,2012,60(1):83-88.

[2] D’Amico A, De Marcellis A. Low-voltage lowpower integrated analog lock-in amplifier for gas sensor applications[J]. Sensors and Actuators B-chemical,2010.144(2):400-406.

[3]林凌，王小林，李剛等．一種新型鎖相放大器檢測(cè)電路[J]．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,38(1):65-68.

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Design of Weak Signal Detection System

Zhao Lin,Qiao Yanhua
（Tianjin Tianshi College,Tianjin,301700）

During the research of the application of magnetic fluid film in tunable optical filter, the light signal that carries useful information is a weak signal, which is very easily to be submerged in the background of strong noise or other disturbances, therefore it is necessary to extract the weak electrical signal, which is conversed by the photoelectric detector, through the weak signal detection technology. In this paper, a weak signal detection system is designed, which is based on the phase lock amplifier. The system is composed of AC amplifier, band-pass filter, phase sensitive detector, low pass filter, DC amplifier, phase shifter and so on.

Lock-in Amplifier; Weak Signal detection; Phase sensitive detector

TN98

A

科研項(xiàng)目：2013年天津天獅學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目資助；項(xiàng)目名稱(chēng)：磁流體薄膜在可調(diào)諧光濾波器中的應(yīng)用研究；項(xiàng)目編號(hào)：K13004