蔣碧波　楊振國(guó)　楊越

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種基于鎖定放大器的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以相敏檢波器和單片機(jī)為核心，結(jié)合加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、微弱信號(hào)檢測(cè)電路和顯示電路組成。測(cè)試表明，該系統(tǒng)可以有效地用于噪聲淹沒的微弱信號(hào)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)；強(qiáng)噪聲；相敏檢波

0.概述

微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)綜合利用電子、信息學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和物理學(xué)方法，研究導(dǎo)致噪聲的原因和規(guī)律，以及被測(cè)信號(hào)的相關(guān)性，將被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)檢測(cè)出來。相較于生物芯片掃描法中掃描時(shí)間與檢測(cè)靈敏度難以兼顧的缺點(diǎn)和微弱振動(dòng)信號(hào)的諧波小波頻域提取法的局限性來說，以鎖定放大器為核心的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)更有潛力。

用調(diào)制器將直流或漸變信號(hào)進(jìn)行交流放大，可以避免噪聲的不利影響；利用相敏檢測(cè)器檢測(cè)頻率和相位，利用窄帶低通濾波器來抑制高頻噪聲，大大提高了穩(wěn)定性，這些優(yōu)點(diǎn)使得該項(xiàng)技術(shù)具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

1.鎖定放大器的原理

鎖定放大器由信號(hào)通道、參考通道、相敏檢波器以及輸出電路組成。其基本思想是將與被測(cè)信號(hào)相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，使得只有與被測(cè)信號(hào)本身以及與參考信號(hào)同頻和同相的噪聲分量有響應(yīng)，其他頻率的噪聲被抑制，從而能提取出有用信號(hào)。若增加輔助前置放大器，鎖相放大器增益可達(dá)220dB，能檢測(cè)極微弱交流輸入信號(hào)。鎖定放大器輸出為直流電壓信號(hào)，且正比于輸入信號(hào)幅度及被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相位差。與一般的帶通放大器不同，鎖相放大器具有極強(qiáng)的抗噪聲能力。

系統(tǒng)的核心相敏檢波器（PSD）的本質(zhì)功能是對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間的相位進(jìn)行檢波，只有當(dāng)同頻同相信號(hào)輸入時(shí)，為全波整流且輸出最大。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由接收信號(hào)預(yù)處理通道、參考信號(hào)預(yù)處理通道、相關(guān)器及輸出電路組成，其中核心部件相關(guān)器，它包括開關(guān)乘法器和RC低通濾波器；其中加法器由同相放大電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)噪聲與待測(cè)信號(hào)相加，使得信號(hào)淹沒在噪聲環(huán)境中，然后經(jīng)過衰減器衰減約100倍，模擬接收方收到的信號(hào)，并送入以相敏檢波器為核心的微弱信號(hào)檢測(cè)電路。參考信號(hào)經(jīng)過移相電路和比較器，輸出方波驅(qū)動(dòng)開關(guān)管乘法器。低通濾波器輸出信號(hào)，經(jīng)過直流信號(hào)放大后再通過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，最后在顯示系統(tǒng)顯示。

3.參數(shù)選擇及硬件實(shí)現(xiàn)

3.1前置放大電路

為了使微弱檢測(cè)電路的輸入阻抗大于或等于1MHz，放大倍數(shù)為96倍。INAl28外圍電路簡(jiǎn)單，輸入阻抗高，并且有效抑制共模干擾，因此采用兩片INAl28運(yùn)放級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)INAl28運(yùn)放放大倍數(shù)公式，第一級(jí)為同相放大電路，選擇R_G=10KΩ，放大倍數(shù)為6倍；第二級(jí)選擇R_G=3.3KΩ，放大倍數(shù)為16倍。仿真結(jié)果圖如圖2所示。

3.2帶通濾波器

利用低通、高通濾波器的串聯(lián)，得到頻率范圍為900hz-1100hz的帶通濾波器。電路原理圖及參數(shù)如圖3所示。

3.3相敏檢波器

如圖4所示，帶通濾波器的輸出同時(shí)經(jīng)過同相和反相跟隨器后，輸入到開關(guān)乘法器CD4053；然后另一路將參考電源先經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)，接著濾掉直流，然后經(jīng)過用LM311構(gòu)成的單限過零比較器，得到方波去驅(qū)動(dòng)CD4053。

3.4低通濾波器

CD4053的輸出最后經(jīng)過由0PA4277構(gòu)成的可調(diào)低通濾波器，該濾波器的R=IMHz，C=luF，算出截止頻率為1Hz，能夠達(dá)到濾波的效果，具體電路為圖5。

3.5直流放大電路

由運(yùn)放構(gòu)成直流放大電路，且放大倍數(shù)B=l+R2/R1，設(shè)定放大10倍，選擇RI=2KΩ，R2=18KΩ即可。

3.6觸發(fā)整形部分

利用LM324運(yùn)放設(shè)計(jì)過零比較器。設(shè)定同相端參考電壓為OV，將輸入的信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸入信號(hào)電壓大于參考電壓時(shí)，輸出低電平；反之，輸出高電平。

3.7移相器

移相原理圖如圖7所示，其傳遞函數(shù)推導(dǎo)如下：實(shí)際中選取RI=R2=R3=2KO。

4.程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用TI指定單片機(jī)模塊Launchpad完成，該單片機(jī)主要是將最后的可調(diào)低通濾波器的輸出進(jìn)行A/D采樣。為了提高測(cè)量精度，除了采用多次A/D取平均以外，還使用加權(quán)平均和曲線擬合；對(duì)于每次測(cè)量值乘以加權(quán)系數(shù)0.8加上前次采樣值乘以權(quán)值0.2作為本次測(cè)量的結(jié)果，利用多次測(cè)量的結(jié)果按方程進(jìn)行曲線擬合得到標(biāo)定系數(shù)a和b。最終根據(jù)得到的標(biāo)定系數(shù)結(jié)合加權(quán)平均的結(jié)果計(jì)算出最終的測(cè)量值，送到液晶顯示，流程圖為圖8所示。

6.結(jié)束語

微弱信號(hào)檢測(cè)的原理和技術(shù)成熟，但設(shè)備比較復(fù)雜和昂貴。基于鎖定放大器的檢測(cè)系統(tǒng)成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)將淹沒在強(qiáng)噪聲中的微弱正弦信號(hào)作為鎖定放大器的輸入信號(hào)，鎖定放大器的輸出恢復(fù)出正弦信號(hào)作為信號(hào)調(diào)理電路的輸入信號(hào)源，對(duì)采集的數(shù)據(jù)做FFY分析，結(jié)果SNR、SFRD都符合理論計(jì)算的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效檢測(cè)預(yù)定帶寬內(nèi)微弱信號(hào)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。