許江淳， 李 瑞， 趙 燁， 石 河

高精度微弱信號檢測裝置設(shè)計(jì)*

許江淳， 李 瑞， 趙 燁， 石 河

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

為了更好地提取被強(qiáng)噪聲淹沒的微弱信號，適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的需求，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，利用同步外差技術(shù)設(shè)計(jì)了一個以STM32F107VC微處理器為控制單元，以MC1496為檢測核心的微弱信號檢測裝置，從設(shè)計(jì)的微弱信號檢測裝置的檢測精度要求出發(fā)，分析檢測裝置誤差來源,并提出減小誤差的解決方案，通過實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置可以實(shí)現(xiàn)對不同頻率信號的識別和檢測,具有很高的精度。

強(qiáng)噪聲； 同步外差技術(shù)； 微弱信號檢測； 高精度

0 引 言

微弱信號并不意味著信號幅度小，而是指被噪聲淹沒的信號，微弱也僅僅是相對噪聲而言的，只有在有效抑制噪聲的情況下，有選擇地放大微弱信號的幅度，才能提取出有用的信號。隨著現(xiàn)代科學(xué)研究與技術(shù)的發(fā)展，人們在教學(xué)科研與生產(chǎn)過程中越來越需要從復(fù)雜高強(qiáng)度的噪聲中檢測出有用的微弱信號，所以，對微弱信號檢測的需求勢必將不斷增大，必須開展對微弱信號檢測裝置的研制，提高對微弱信號的提取能力，滿足企業(yè)和國家單位的需求[1]。目前國內(nèi)市場的微弱信號測量裝置普遍精度不高，而進(jìn)口的儀器精度高但價格昂貴，所以研發(fā)可以滿足國內(nèi)用戶使用需求且成本低于國外設(shè)備的微弱信號檢測裝置顯得尤為緊迫[2]。

本裝置以相干檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合同步外差技術(shù)，能有效抑制噪聲的功能特點(diǎn)，提高被檢測信號的信噪比，從而有選擇地放大微弱信號的幅度，提取出有用的微弱信號。

1 裝置整體設(shè)計(jì)方案

1.1 整體方案設(shè)計(jì)原則與結(jié)構(gòu)

高精度微弱信號檢測裝置主要由信號源、濾波網(wǎng)絡(luò)、移相電路、信號調(diào)制電路、單片機(jī)控制單元以及顯示電路組成,其硬件的基本組成框圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖

本裝置采用雙12 V電源供電，由輸入信道提供混合信號，即混有噪聲的正弦波信號，通過濾波網(wǎng)絡(luò)和放大電路將信號輸送信號調(diào)制電路，經(jīng)過低通濾波器就得到與輸入正弦波信號成正比的直流信號，最后經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,通過LCD顯示出來。

1.2 控制和顯示模塊設(shè)計(jì)方案

控制器硬件平臺的選擇重點(diǎn)就是處理器的選擇，經(jīng)過綜合比較，考慮到意法半導(dǎo)體(ST)公司生產(chǎn)的STM32F107VC具有很高的性價比且超低功耗,加上它外圍電路簡潔，能滿足本設(shè)計(jì)低成本、低功耗、高性能、小體積的要求，故而將STM32F107VC作為本裝置主控芯片[3,4]。另外數(shù)據(jù)顯示模塊采用2.8 in(1 in=2.54 cm)液晶顯示屏，外圍電路簡單而且能夠顯示圖形和漢字,滿足本設(shè)計(jì)的要求，控制與顯示模塊設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制與顯示模塊設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)圖

1.3 參考信道移相電路設(shè)計(jì)方案

參考信道移相電路的主要功能是將不同頻率的參考信號移相90°，如果采用普通的RC串聯(lián)移相電路,相移θ=tan-1ωRC，針對不同頻率的信號R,C的參數(shù)需要不停地調(diào)整，所以，這里采用微分電路來實(shí)現(xiàn)移相的功能[5]。

其輸出信號V0為

考慮到微分電路的特性，這里選用高精、低失調(diào)電壓、低噪聲的運(yùn)算放大器OPA2227能很好滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4 微弱信號調(diào)制電路設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)對不同頻率不同幅值信號的檢測,在分析了鎖相環(huán)的原理以后,利用相干檢測技術(shù)結(jié)合同步外差技術(shù)原理,設(shè)計(jì)出了微弱信號檢測模塊, 微弱信號調(diào)制電路設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 微弱信號調(diào)制電路設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)圖

2 微弱信號檢測裝置實(shí)現(xiàn)

2.1 關(guān)鍵問題

微弱信號檢測的誤差來源于以下幾個方面。

2.1.1 輸入信道的采樣誤差

輸入信道的電路設(shè)計(jì)直接影響了整個設(shè)計(jì)的測量精度。為了提高微弱信號檢測裝置的測量精度，輸入信道就必須具備傳輸信號的可靠性和有效性。對于電路設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的信號延遲、反射、串?dāng)_、振蕩等造成誤差的主要因素，必須進(jìn)行有效的預(yù)防。

2.1.2 信號調(diào)制電路的頻率誤差

頻率變換是通過乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，一般的乘法運(yùn)算模擬電路，其線性度和穩(wěn)定性均有一定的問題,而且從模擬乘法器的輸出信號會因?yàn)檩斎胄盘柡蛥⒖夹盘柖a(chǎn)生較大的變化，因此，導(dǎo)致低通濾波器輸出產(chǎn)生變化,即檢測裝置的測量值會發(fā)生變化[6,7]。

2.1.3A/D轉(zhuǎn)換器的誤差

由于AD器件有固定的分辨率，將模擬信號量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時，每一位代表的是一個電壓范圍，范圍內(nèi)的模擬量全部歸為一個結(jié)果，這就引入了其固有的量化誤差。對于一個n位的ADC而言，其量化誤差的絕對值Δ為

本設(shè)計(jì)中微弱信號檢測裝置的測量精度在0.05 %以上，所以，分辨率需達(dá)到1/2 000以上。在采樣轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器不可能工作在滿度狀態(tài)，只能夠保證工作在滿度的1/10以上，所以單點(diǎn)測量的分辨率為1/20 000時，可以保證課題提出的電壓幅值測量準(zhǔn)確度高于0.05 %。綜合上述的分析，同時也考慮到實(shí)際信號采樣過程中可能引入的誤差，選用14位ADC可以保證單點(diǎn)測量電壓幅值的誤差小于0.007 %。

2.2 解決方案

為減小采樣前端測量所帶來的誤差，微弱信號檢測裝置采用高精度的電阻分壓器和高共模抑制比、低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器進(jìn)行前端信號的處理。

根據(jù)上文對A/D轉(zhuǎn)換器的分析可知，意法半導(dǎo)體公司的STM32F107VC自帶的A/D轉(zhuǎn)換器就可以滿足所需的采樣精度。STM32F107VC自帶集成的AD可以進(jìn)行設(shè)置為12位逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)到1 Msps。本設(shè)計(jì)采用過采樣技術(shù),將12位AD提高到14位，原來在100 ms之內(nèi)只采集一個數(shù)據(jù)，現(xiàn)在需要在100 ms之內(nèi)采集16個數(shù)據(jù)。然后，把這16個數(shù)據(jù)累加，再把累加值右移2位，這樣就得到過采樣之后的14位AD。采樣中，被采樣信號最大頻率是2 kHz, 所以，采樣頻率需大于4 kHz才可以避免造成信號混疊[8]。

微弱信號調(diào)制電路部分主要是利用待測信號和參考信號的互相關(guān)檢測原理實(shí)現(xiàn)對信號的窄帶化處理，能有效抑制噪聲，有很高的信噪比，實(shí)現(xiàn)對信號的檢測和跟蹤[9,10]。但是單相位的調(diào)制電路，除了相位差為零之外，在其它相位差情況下,不能很好地測量被測信號的大小,所以應(yīng)該將參考信號的相位移動90°,使用兩個乘法器組成雙相信號調(diào)制電路，這樣就能正確地測量振幅和相位,其原理圖如圖4。

圖4 雙相調(diào)制電路設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)圖

被測信號經(jīng)過放大濾波以后分別與兩個正交的參考信號相乘，再經(jīng)過低通濾波后得到的是直流分量,直流分量經(jīng)過放大后輸出，被測信號的幅值與R的關(guān)系為

(1)

通過式(1)可以測量被測信號的幅值。其中，θ表示被測信號與參考信號的相位差。但是這種方法只能測量已知的特定頻率的信號，而且要求參考信號與被測信號的頻率嚴(yán)格同步。針對這種情況，本課題利用類似于收音機(jī)的同步外差技術(shù)，結(jié)合相關(guān)檢測的有關(guān)原理，設(shè)計(jì)出了如圖3所示的檢測電路。

假設(shè)輸入信號

S1(t)=E1sin(2πf0+θ1)

(2)

參考信號

Sr(t)=Ersin(2πf1+θ2)

(3)

混頻以后輸出的信號

S0(t)=S1(t)Sr(t)

(4)

S0(t)=E1Er/2{cos[2πfit+(θ1-θ2)]-

cos[2π(fi+2f0)+(θ1+θ2) ]}

(5)

具有頻率f0的信號經(jīng)放大濾波后進(jìn)入混頻器，其輸出為和頻項(xiàng)(fi+2f0)及差頻項(xiàng)f0，再經(jīng)具有中心頻率為fi的帶通濾波器后，輸出變?yōu)橹蓄l信號fi，幅度仍與被測信號的幅度成正比，此時的輸出信號為

S2(t)=αAsin(2πfi+φ1)

(6)

式中α為衰減系數(shù)，φ1為指通過帶通濾波器后的相位，A=E1Er/2。令

S3(t)=αAsin(2πfi+φ2)

(7)

式中φ2=θ1-θ2，S2(t)與S3(t)通過模擬乘法器后得到

M0(t)=S2(t)S3(t)

(8)

M0(t)=1/2αA2{cosφ1-φ2)-cos[4πfit+(φ1+

φ2)]}

(9)

上式表明,信號經(jīng)過模擬乘法器以后，信號頻譜相對頻率做了相對位移，即由原來以為中心的頻譜遷移至以直流和倍頻為中心的兩個頻譜，經(jīng)過低通濾波濾除倍頻分量，從而使輸出變?yōu)?/p>

M0(t)=1/2αA2cos(φ1-φ2)

(10)

設(shè)θ=φ1-φ2，R=1/2αA2則最后經(jīng)過低通濾波后只有直流分量能通過，其它與時間t有關(guān)的項(xiàng)不能通過低通濾波器，所以此時只剩下直流信號Rcosθ。同理可知S3(t)移相90°以后再與S2(t)相乘，然后通過低通濾波器就得到Rsinθ。最終得到的被檢測信號如式(1)所示，彌補(bǔ)了必須要知道被測信號頻率的準(zhǔn)確值才能確定參考頻率的缺陷。如圖3所示，在獲得被測信號的頻率范圍后，設(shè)置合適的帶通濾波器，就能適應(yīng)不同被測信號頻率的要求，而且濾波器的帶寬及形狀可以專門設(shè)計(jì),所以，本電路具有很強(qiáng)的抑制噪音的能力，能夠滿足國家和企業(yè)的需求。

3 測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

針對該設(shè)計(jì)的電路，當(dāng)微弱信號檢測裝置的輸入信號頻率f在500～2 000 Hz范圍內(nèi)、幅度峰峰值在200 mV～2 V范圍內(nèi)變化時，檢測并顯示微弱信號檢測裝置輸出信號的幅度值，并記錄液晶顯示器的數(shù)據(jù)。其輸出信號的幅度值與輸入信號的頻率、幅度的變化關(guān)系的數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1、表2的裝置輸出電壓是經(jīng)過多次測量取的平均值，選取的參考頻率是指參考振蕩源的頻率f1。

表1 相同參考頻率下實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

輸入信號幅值/mV裝置輸出電壓/mV參考頻率/Hz200199．541000500500．46100015001499．63100020001999．751000

表2 相同輸入信號幅度下實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

輸入信號幅值/mV裝置輸出電壓/mV參考頻率/Hz1000999．525001000999．66100010001000．3815001000999．852000

通過以上實(shí)驗(yàn)的測試、分析得出結(jié)論：對不同頻率、不同幅度峰峰值的微弱信號，該裝置能夠精確地進(jìn)行測量，將強(qiáng)噪聲下的已知頻率的微弱信號檢測出來，用液晶顯示器輸出穩(wěn)定的測量值，且微弱信號檢測裝置的測量值與被測信號的值基本吻合。這說明系統(tǒng)性能穩(wěn)定，且測量精度高。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的高精度微弱信號檢測裝置以MC1496為檢測核心，利用同步外差技術(shù)和相干檢測技術(shù)，在有效抑制噪聲的情況下，有選擇地放大了微弱信號的幅度，最終提取有用信號。與傳統(tǒng)的檢測電路相比，該微弱信號檢測裝置在測量精度、抗干擾能力等方面都得到很大提高，測量裝置的精度為0.05 %，達(dá)到了檢測裝置的設(shè)計(jì)精度要求，并且檢測裝置測量性能穩(wěn)定。

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Design of high precision wake signal detection device*

XU Jiang-chun， LI Rui， ZHAO Ye， SHI He

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China )

In order to extract weak signals from the strong noise better and to meet the needs of industrial development,practical projects utilizing the technology of synchronous heterodyne,design a weak signal detection device based on STM32F107VC microcontroller as the control unit and MC1496 as the core of detection. According to the requirement of the detection precision of the weak signal detection device,analyze error sources of the detection device and propose the solution to reduce error.It is verified by the measured data.The experimental results show that the device can realize the identification and detection of different frequency signals and it has high precision.

strong noise; synchronous heterodyne technique; weak signal detection; high precision

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0094—03

2016—03—17

國家科技部項(xiàng)目(2009GJF30050)

TM 935

A

1000—9787(2017)02—0094—03

許江淳(1962-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事嵌入式技術(shù)應(yīng)用的研究工作。