屈正庚，楊 川，周川云

(1.商洛學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)院，陜西 商洛 726000；2.重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400054)

0 引 言

在現(xiàn)代一些常見的自然現(xiàn)象以及一些具有規(guī)律變化的科學(xué)研究和工程實(shí)踐中，常常會(huì)遇到需要檢測(cè)非常小的毫微伏量級(jí)信號(hào)的問題。因此，產(chǎn)生了微弱信號(hào)檢測(cè)這一門新興的分支科學(xué)技術(shù)，同時(shí)微弱信號(hào)檢測(cè)在各個(gè)領(lǐng)域中也得到廣泛的應(yīng)用。它利用電子學(xué)、信息論和物理學(xué)等常用的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)微弱信號(hào)的特征和相關(guān)性，檢測(cè)并恢復(fù)被噪聲掩蓋的微弱信號(hào)[1]。

目前現(xiàn)有的微信號(hào)檢測(cè)方法有多種，各有優(yōu)缺點(diǎn)，有各自的應(yīng)用領(lǐng)域。在實(shí)際檢測(cè)中，檢測(cè)強(qiáng)噪聲信號(hào)下的弱信號(hào)檢測(cè)方法、檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸成為一種發(fā)展趨勢(shì)[2-3]。

文中設(shè)計(jì)了一種基于TI公司MSP430G2553單片機(jī)的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在強(qiáng)噪聲信號(hào)下能夠精確地檢測(cè)到所需要的原始信號(hào)，能夠在強(qiáng)噪音下檢測(cè)到微弱信號(hào)，如微弱光、微溫差、弱電流等。在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)方案及原理

檢測(cè)微弱信號(hào)不僅需要在強(qiáng)噪聲中檢測(cè)出目標(biāo)信號(hào)，而且某些檢測(cè)信號(hào)頻率較高，還要求檢測(cè)系統(tǒng)必須有足夠快的檢測(cè)速度。目前的眾多檢測(cè)方法仍存在許多局限性。為了克服微弱信號(hào)檢測(cè)難度大，精確度低，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲環(huán)境下微弱信號(hào)的準(zhǔn)確、快速檢測(cè)，根據(jù)鎖相環(huán)檢測(cè)原理，文中設(shè)計(jì)了一種能夠準(zhǔn)確、快速、方便地檢測(cè)微弱信號(hào)的裝置。主要采用鎖相環(huán)檢測(cè)原理，對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)提取，計(jì)算檢測(cè)信號(hào)有效值，并通過單片機(jī)處理后進(jìn)行顯示[4]。

系統(tǒng)主要分為10個(gè)部分，分別是加法器、電阻網(wǎng)絡(luò)衰減、差分放大電路、帶通濾波器、波形整形電路、移相電路、模擬乘法器、低通濾波器、單片機(jī)A/D采集部分、LCD顯示部分，系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程

通過加法器和電阻網(wǎng)絡(luò)衰減電路模擬得到一個(gè)逼真的混有待檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)噪聲信號(hào)，經(jīng)過差分放大電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行初步放大處理，抑制共模信號(hào)，放大差模信號(hào)；放大后的信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器的通帶為檢測(cè)信號(hào)的頻率范圍，濾除絕大部分通帶外的噪聲，獲得濾波信號(hào)；濾波信號(hào)經(jīng)過整形處理得到的信號(hào)與濾波信號(hào)經(jīng)過移相處理得到的信號(hào)通過模擬乘法器相乘，得到鎖相放大信號(hào)；使用低通濾波器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理獲得該信號(hào)的有效值；并通過AD轉(zhuǎn)換，將該有效值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；單片機(jī)通過對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，就得到了原始信號(hào)的幅值，并通過LCD進(jìn)行顯示[5-6]。

CPU采用TI公司的MSP430G2553，其主要優(yōu)點(diǎn)是小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，能方便地組裝成各種智能式控制設(shè)備以及各種智能儀器儀表。同時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍寬，在各種惡劣環(huán)境下都能可靠地工作。這是其他機(jī)型無(wú)法比擬的[7]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 加法器與電阻網(wǎng)絡(luò)衰減電路

為了得到系統(tǒng)所需要的混合信號(hào)，同時(shí)為了更逼真模擬在噪聲情況下檢測(cè)微弱信號(hào)，特地加了一個(gè)加法器，同時(shí)還需要考慮加法器的速度，因此選用了單運(yùn)放OP27，該運(yùn)放是低噪聲精密運(yùn)放[8]。

通過加法器后的混合信號(hào)經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，因?yàn)樵谛盘?hào)幅值比較大的時(shí)候就必須通過衰減再經(jīng)過后面的處理，模擬一個(gè)理想的環(huán)境。該系統(tǒng)主要進(jìn)行了100倍衰減，根據(jù)三個(gè)純電阻分壓原理進(jìn)行衰減，以達(dá)到所要求的效果。圖2是加法器和電阻網(wǎng)絡(luò)衰減電路[9]。

圖2 加法器和電阻網(wǎng)絡(luò)衰減電路

2.2 放大與濾波電路

在通過加法器和衰減器后，得到一個(gè)微小的信號(hào)，這時(shí)就需要進(jìn)行放大。由于是在音頻信號(hào)下進(jìn)行測(cè)試，要求輸入阻抗特別高，同時(shí)要求電路有很高的共模抑制比。因此，該系統(tǒng)采用差分放大電路(儀表放大器)進(jìn)行小信號(hào)放大[10]。

差分放大對(duì)共模抑制信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用，而對(duì)差模信號(hào)影響不大，所以，差分放大電路可以抑制由外界條件的變化帶給電路的影響。其中，共模抑制比CMRR用來(lái)衡量差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力。共模信號(hào)是作用在差分放大器上的兩個(gè)輸入端的相同信號(hào)，一般是由于線路傳導(dǎo)或者空間磁場(chǎng)干擾產(chǎn)生的，是不希望出現(xiàn)的信號(hào)。差模信號(hào)是兩個(gè)輸入端信號(hào)的相位相差180°。如果共模信號(hào)被放大很多，會(huì)影響真正需要放大的差模信號(hào)。放大電路如圖3所示。

圖3 儀表放大電路

帶通濾波器是為了將混合信號(hào)中的噪聲信號(hào)初步濾除，得到一個(gè)接近于原始信號(hào)的信號(hào)，為后面模擬乘法器做準(zhǔn)備。電路主要是一個(gè)二階低通和一個(gè)二階高通組成的四階帶通濾波器，能夠更好、更有效地濾除噪聲信號(hào)。通過計(jì)算得到帶通濾波器中的上截止頻率和下截止頻率，這樣就得到一個(gè)較好的帶寬，該系統(tǒng)設(shè)置的帶寬為500 Hz～2 kHz。

2.3 波形整形與移相電路

由于后一級(jí)的模擬乘法器需要一個(gè)與初始信號(hào)同相位、同頻率的參考信號(hào)，才能得到一個(gè)半波信號(hào)，因此，系統(tǒng)需要一個(gè)波形整形電路，將初始信號(hào)經(jīng)過處理得到一個(gè)同相位、同頻率的方波。該系統(tǒng)采用運(yùn)放進(jìn)行電壓比較得到一個(gè)方波，運(yùn)放比較法比較出來(lái)的波形比施密特觸發(fā)器產(chǎn)生的波形效果更好，更能滿足系統(tǒng)所需要的效果[11]。

由于信號(hào)通過波形整形電路后有一定的相位差，同時(shí)為了和通過帶通濾波器的信號(hào)同相位，因此必須要加一個(gè)移相電路，讓兩路信號(hào)在同相位同頻率的情況下進(jìn)入乘法器。移向電路主要是因?yàn)殡娐分械碾娮琛㈦娙菥哂幸葡嗟墓δ?，電容的端電壓落后于電?0°,電阻的端電壓超前于電流90°，電路中用兩個(gè)運(yùn)放做了一個(gè)RC滯后電路和一個(gè)RC超前電路，如圖4所示。

前一級(jí)的OP27組成了一個(gè)RC超前移相電路，后級(jí)運(yùn)放U7組成了一個(gè)RC滯后移相電路，前級(jí)電路電容接在前，電阻接在后的狀態(tài)下，電阻上的電壓與電容同相位，這個(gè)電壓比起輸入端的電壓相位就要超前。后級(jí)電路的輸入信號(hào)從電阻進(jìn)入，信號(hào)經(jīng)過電容C27。由于電容要充電，所以電壓要比電流滯后90°，等電容充滿電后才有電壓。因?yàn)檩敵鲭娐肥桥c電容并聯(lián)電壓相等，所以輸出電路的電壓也滯后電流[12]。

圖4 移相電路

2.4 模擬乘法電路

在之前將初始信號(hào)和參考信號(hào)處理后，得到同相位同頻率的兩個(gè)信號(hào)，最后通過乘法器得到一個(gè)半波信號(hào)。系統(tǒng)主要采用AD633組成模擬乘法器，可以在不斷改變初始信號(hào)的幅值和頻率時(shí)，精確地測(cè)出初始信號(hào)的幅值[13]。

電路如圖5所示。X、Y兩個(gè)通道有負(fù)面節(jié)點(diǎn)接地，也就是將AD33的2、4腳接地，兩個(gè)輸入信號(hào)通過1、3腳輸入AD633通過內(nèi)部的電流電壓轉(zhuǎn)換器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，其內(nèi)部齊納二極管提供了一個(gè)10 V的參考電壓，因此最后乘法器輸出的電壓是:

(1)

其中，Z是AD633內(nèi)部的放大器的高阻抗求和節(jié)點(diǎn)，因此整個(gè)乘法器輸出的電壓值就是W。

圖5 模擬乘法器

2.5 后級(jí)信號(hào)處理-低通濾波器

在初始信號(hào)和參考信號(hào)通過模擬乘法器后得到一個(gè)半波信號(hào)，為了得到一個(gè)直流分量，通過一個(gè)低通濾波器將一些在帶通中沒有濾掉的高頻信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步濾出，得到一個(gè)較為精準(zhǔn)的直流分量，然后將這個(gè)直流分量送入單片機(jī)中進(jìn)行檢測(cè)，通過程序的處理就可以得到初始信號(hào)的幅值[14]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程

根據(jù)系統(tǒng)的需要，在檢測(cè)中必須實(shí)現(xiàn)峰值為20 mV～2 V的信號(hào)測(cè)量，并且其誤差必須不小5%，即誤差要在1 mV以內(nèi)。MSP430G2553完全滿足采樣要求,采樣分辨率可達(dá)到0.002 4 V。

整個(gè)程序的流程如圖6所示。通過整個(gè)硬件電路后得到一個(gè)幅值，然后用MSP430G2553自帶的AD進(jìn)行電壓采集。由于得到的信號(hào)帶有一些干擾，因此在AD采集的過程中電壓值不穩(wěn)定，這時(shí)，需要多次采集電壓值最后取平均值[15]。

圖6 系統(tǒng)總流程

3.2 非線性誤差校準(zhǔn)

在一些非線性數(shù)據(jù)中，要得到線性的直線，就需要將非線性的圖形分別取出一段采樣點(diǎn)的值，通過每一段采樣點(diǎn)的值將相鄰之間直線相連就可以近似得到一條近似線性的直線。因此，系統(tǒng)校正的目的之一就是得到一條線性的AD轉(zhuǎn)換值-實(shí)際電壓值線性直線[16]。

非線性校正示意如圖7所示。

圖7 非線性校正示意

假設(shè)已經(jīng)測(cè)得了N個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓值，如y1,y2,…,yn，以及AD對(duì)應(yīng)采樣的值，如x1,x2,…,xn。在N值足夠大的情況下，可以假設(shè)相鄰兩點(diǎn)是線性關(guān)系，因此，具體某測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值可用以下方法獲得[9]。當(dāng)知道了未知值x那兩個(gè)x值的中間值，根據(jù)已知的坐標(biāo)(x0,y0)與(x1,y1)，就可以得到[x0,x1]區(qū)間內(nèi)某一位置x在直線上的電壓值[17]。

(2)

假設(shè)方程兩邊的值為α，那么這個(gè)值就是插值系數(shù)—從x0到x的距離與從x0到x1距離的比值。由于x值已知，所以可以從式3得到α的值：

(3)

4 數(shù)據(jù)測(cè)試與分析

4.1 測(cè)試環(huán)境、儀器與測(cè)試內(nèi)容

環(huán)境溫度為35°。儀器為Agilent DSO-X2012A雙通道示波器；DS1022雙通道信號(hào)發(fā)生器；直流穩(wěn)壓電源；測(cè)試內(nèi)容為不同幅值以及不同頻率下系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)；系統(tǒng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)誤差是否在5%以內(nèi)。

4.2 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

(1)當(dāng)初始信號(hào)的頻率為1 kHz、幅值在100 mV～2 V范圍內(nèi)時(shí)，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 頻率為1 kHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果

(2)當(dāng)初始信號(hào)的頻率為500 Hz、幅值在100 mV～2 V范圍內(nèi)時(shí)，其測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 頻率為500 Hz時(shí)的測(cè)試結(jié)果

(3)當(dāng)初始信號(hào)的頻率為1.5 kHz、幅值在100 mV～2 V范圍內(nèi)時(shí)，其測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 頻率為1.5 kHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果

(4)當(dāng)初始信號(hào)的頻率為2 kHz、幅值在100 mV～2 V范圍內(nèi)時(shí)，其測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 頻率為2 kHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果

通過測(cè)試的結(jié)果和數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)噪聲源輸出電壓值固定時(shí)，由于系統(tǒng)每級(jí)電路都運(yùn)用了低噪聲音頻運(yùn)放并且輸入阻抗比較大；當(dāng)初始信號(hào)的頻率為500 Hz～2 kHz、幅度峰值在100 mV～2 V范圍內(nèi)時(shí)，隨著初始信號(hào)幅度的增加，精確度總體越來(lái)越高，而且誤差都在5%以內(nèi)，測(cè)出的整個(gè)幅值變化都是呈線性變化的[18]。

該系統(tǒng)較好完成了所需要求，同時(shí)，更進(jìn)一步擴(kuò)大了噪聲信號(hào)幅度的范圍，測(cè)出的結(jié)果也都比較準(zhǔn)確。因此，該系統(tǒng)在原來(lái)的基礎(chǔ)上提高了檢測(cè)精度，使誤差都保持在5%以內(nèi)。

其中，誤差來(lái)自多方面，甚至包括單片機(jī)內(nèi)浮點(diǎn)誤差，當(dāng)然更大的來(lái)源于系統(tǒng)的內(nèi)外噪聲以及硬件電路中存在一些干擾，雖然所選器件均為低噪聲器件，但難免引入噪聲，這在小信號(hào)測(cè)量時(shí)便會(huì)體現(xiàn)出來(lái)，而系統(tǒng)外噪聲較難控制[19]。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種基于MSP430的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件部分主要運(yùn)用了一系列的常用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理，將微弱的小信號(hào)提取出并檢測(cè)其幅值。整個(gè)硬件系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單實(shí)用、精度較好、抗干擾性較好的特點(diǎn)。

對(duì)于強(qiáng)噪聲背景下的微弱特征信號(hào)檢測(cè)一直是各個(gè)工程應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)難題，目前主要有基于線性理論的時(shí)域、頻域、時(shí)頻域，以及基于非線性理論的微弱信號(hào)檢測(cè)方法[11]。近年來(lái)，隨著信號(hào)檢測(cè)與處理中引入基于非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)理論，如混沌理論、隨機(jī)共振原理等，在微弱信號(hào)檢測(cè)研究領(lǐng)域中，利用非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)特有的性質(zhì)來(lái)檢測(cè)微弱信號(hào)的方法逐漸顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。因此，隨著信號(hào)檢測(cè)與處理中非線性理論和方法的廣泛應(yīng)用，非線性的分析方法也會(huì)是未來(lái)微弱信號(hào)檢測(cè)研究的主要方向之一。