隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，電子系統(tǒng)類產(chǎn)品越來越多地滲透到人們的生活當(dāng)中,，而一個(gè)電子系統(tǒng)中，往往帶有大量的白噪聲,，這些白噪聲的取值恰好符合高斯分布,。從噪聲掩蓋的信號(hào)中檢測(cè)并提取各種微弱信號(hào)(如弱光、小位移,、微振動(dòng),、微應(yīng)變、微溫差,、低電平電壓等)越來越受到人們的重視,。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是采用電子學(xué)、信息論,、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)的方法,，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性,，檢測(cè)被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào),。微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用的信號(hào)，或用一些新技術(shù)和新方法來提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比[1],。對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)理論的研究,、探索新的微弱信號(hào)檢測(cè)方法、研制新的微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備是目前檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),。

1 測(cè)試需求分析
    在隨機(jī)強(qiáng)噪聲背景下,，已知正弦微弱信號(hào)的頻率為1 kHz，幅度峰峰值在20 mV~2 V范圍,，正弦波信號(hào)源可以由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來代替,；而隨機(jī)強(qiáng)噪聲用標(biāo)準(zhǔn)噪聲文件，噪聲均方根電壓值固定為1 V±0.1 V,。設(shè)輸入信號(hào)為VS,，隨機(jī)噪聲為VN，加法器輸出為VC=VS+VN,，要求加法器輸出通過衰減系數(shù)不小于100的純電阻網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)行檢測(cè)并給予顯示,。由于信號(hào)幅值比較小，經(jīng)過100倍的衰減后將變得更加微弱,，所以要經(jīng)過放大,，信號(hào)和噪聲的分離、信號(hào)檢測(cè)關(guān)鍵在于濾波器和放大器的設(shè)計(jì),。本裝置的設(shè)計(jì)思路是,，先將衰減后混合信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大器放大[1-2]后，再經(jīng)過5階巴特沃斯帶通濾波器濾波[1],，濾除得到300 Hz~3.4 kHz信號(hào),，輸入模擬乘法器實(shí)現(xiàn)的鎖相放大檢測(cè)信號(hào)電路[1,，3]，再由集成濾波器MAX297構(gòu)成的低通濾波器得到小信號(hào),，經(jīng)過AD采樣后,，通過TI的小開發(fā)板Launchpad控制顯示。模擬乘法器的參考信號(hào)由MSP430F449編程產(chǎn)生,，已知信號(hào)的頻率為1 000 Hz，而本方案中需要產(chǎn)生1 000.2 Hz的參考信號(hào),，可通過在單片機(jī)內(nèi)部存放波表,，通過I/O口將波表數(shù)據(jù)輸出給D/A器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換[1,，4],。
2 總體設(shè)計(jì)
    該裝置測(cè)試系統(tǒng)加法器實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)疊加，模擬產(chǎn)生混疊信號(hào),，純電阻分壓衰減的是淹沒的正弦信號(hào),，最后提取得到的信號(hào)與Vs對(duì)比。其中帶通濾波器為5階巴特沃斯有源濾波器,，用UA741實(shí)現(xiàn),，乘法器用MPY634實(shí)現(xiàn)。需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參考信號(hào),，用MSP430單片機(jī)產(chǎn)生,。對(duì)于后級(jí)的低通濾波器要求比較高，要求截止頻率為0.3 Hz,，低通濾波器的輸出信號(hào)加到ADS1115模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,，并由Launchpad控制顯示。
3 主要硬件模塊設(shè)計(jì)
3.1 加法器設(shè)計(jì)
    加法器電路[2]采用低噪聲運(yùn)放AD604,。AD604是一款超低噪聲,、精度極高、雙通道,、線性dB可變?cè)鲆娣糯笃?VGA),，針對(duì)超聲應(yīng)用中基于時(shí)間的可變?cè)鲆婵刂七M(jìn)行了優(yōu)化，但同樣支持任何要求低噪聲,、寬帶寬,、可變?cè)鲆婵刂频膽?yīng)用。AD604的每個(gè)通道均提供300 k?贅輸入電阻和單極性增益控制,，使用方便,。微弱正弦信號(hào)VS與強(qiáng)噪聲信號(hào)VN分別經(jīng)一個(gè)10 kΩ電阻在AD604的同相端相加，模擬產(chǎn)生混疊信號(hào),。
3.2 小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)
    由于對(duì)微弱信號(hào)的獲取和幅值測(cè)量很難實(shí)現(xiàn),，因此需要先對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理,。
    小信號(hào)放大電路[1-2]如圖1所示，采用TI出品的一款極低噪音頻雙運(yùn)放放大器OPA2134,，輸出信號(hào)帶寬為8 MHz,，滿足系統(tǒng)中對(duì)輸入信號(hào)帶寬的要求；輸入阻抗為3.3 MHz,。小信號(hào)放大電路的放大倍數(shù)為100～120倍,，輸入放大電路的微弱正弦信號(hào)經(jīng)放大電路放大后，為后面的檢測(cè)和測(cè)量提供方便,。

3.3 鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)
    鎖相放大電路檢測(cè)微弱信號(hào)的原理是基于信號(hào)和噪聲在相關(guān)特性方面的差別,。它起到了一個(gè)極窄的帶通濾波器的作用(而不是普通濾波器)。本裝置中用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)鎖相放大[1,，3],。

3.4 低通濾波器的設(shè)計(jì)
    由于乘法器的輸出有兩個(gè)頻率0.2 Hz和2 000.2 Hz，而需要的是0.2 Hz的信號(hào),，故采用濾波法,。一般的濾波器很難做到這么低的截止頻率，選擇集成濾波器芯片MAX297[1],。MAX297是一款8階低通橢圓開關(guān)電容濾波器[2],，時(shí)鐘可調(diào)轉(zhuǎn)角頻率范圍為0.1 Hz～50 kHz，時(shí)鐘頻率比為50:1?，F(xiàn)在需要0.3 Hz截止頻率的濾波器,，于是輸入的時(shí)鐘頻率就是15 Hz，由MSP430F449的精確定時(shí)器產(chǎn)生,。MAX297的電路圖如圖4所示,。

4 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本裝置選用TI器件LaunchPad和單片機(jī)最小系統(tǒng)板做主控制器件，LaunchPad負(fù)責(zé)絕大部分控制信號(hào),，MSP430F449最小系統(tǒng)板用于存放波表和控制D/A輸出頻率,，并利用其精準(zhǔn)的定時(shí)器產(chǎn)生15 Hz的方波信號(hào)用于MAX297的時(shí)鐘。LaunchPad負(fù)責(zé)本系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換檢波,、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示[5],。由于ADS1115是串行數(shù)據(jù)傳輸，速度比較慢,，故放在主函數(shù)中一直進(jìn)行采樣,，通過配置寄存器使LCD1602等時(shí)間地刷新顯示。軟件流程圖如圖5所示,。

5 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用
    用于測(cè)試的主要儀器：雙蹤數(shù)字存儲(chǔ)示波器,，型號(hào)為TEKTRONIX TDS1002；直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源,，型號(hào)為SG1733-
SB3A,；20 MHz函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,，型號(hào)為ROGOL DG1022，輸入的正弦信號(hào)頻率為1 kHz,，峰峰值為20 mV~2 V,。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。

    從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看,，誤差約4.2%,。由于電路焊接和器件的各種誤差，對(duì)于淹沒的小信號(hào)的提取效果較好,，而且這個(gè)誤差還可以進(jìn)一步減小,，關(guān)鍵在于產(chǎn)生的1 000.2 Hz參考信號(hào)的頻率能否穩(wěn)定以及濾波器的選定。因?yàn)闉V波器的截止頻率很低,，所以對(duì)濾波器的要求很高,。本系統(tǒng)提取小信號(hào)的思想也可以擴(kuò)展到其他領(lǐng)域,。實(shí)際應(yīng)用表明,，該裝置具有測(cè)試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn),。
參考文獻(xiàn)
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