摘  要： 采用MSP430作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制器,，設(shè)計(jì)并制作了一套微弱信號(hào)檢測裝置,，用于檢測在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱信號(hào)的幅度值，并在LCD上顯示該值,。最終測試表明,，該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測，其抗干擾能力強(qiáng),，測量精度高,。
關(guān)鍵詞： MSP430；微弱信號(hào),；強(qiáng)噪聲,；檢測裝置；LCD

　隨著現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)的發(fā)展,，在教學(xué)科研與生產(chǎn)過程中人們越來越需要從復(fù)雜,、高強(qiáng)度的噪聲中檢測出有用的微弱信號(hào)，于是微弱信號(hào)檢測這門新興的科學(xué)技術(shù)從此誕生[1],。當(dāng)然,，在強(qiáng)噪聲背景下對微弱信號(hào)的檢測也逐漸成為當(dāng)前科學(xué)研究的熱點(diǎn),，也一直是工程應(yīng)用領(lǐng)域的難題[2]。微弱信號(hào)并不意味著信號(hào)幅度小,，而是指被噪聲淹沒的信號(hào),，“微弱”也僅是相對于噪聲而言的。只有在有效抑制噪聲的條件下有選擇地放大微弱信號(hào)的幅度,，才能提取出有用信號(hào),。
　目前，在強(qiáng)噪聲背景下對微弱信號(hào)的檢測早已經(jīng)成為很多領(lǐng)域中進(jìn)行現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究必不可少的手段,，微弱信號(hào)檢測技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,，在生物醫(yī)療、航空航天,、光學(xué),、電學(xué)、材料科學(xué),、軍事以及工業(yè)生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域顯得愈發(fā)重要,。因此，對微弱信號(hào)檢測技術(shù)的研究探索,，研制新型的微弱信號(hào)檢測裝置設(shè)備是目前微弱信號(hào)檢測技術(shù)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn),。
　微弱信號(hào)檢測技術(shù)不斷發(fā)展，從傳統(tǒng)的頻譜分析,、取樣積分和時(shí)域平均方法到最近發(fā)展起來的小波分析理論,、相關(guān)檢測、混沌振子等方法,，在微弱信號(hào)檢測中均有廣泛的應(yīng)用,。傳統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測技術(shù)方法是使用放大和濾波電路對被測信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，但是有用的信號(hào)被放大的同時(shí),，噪聲也被放大,，信號(hào)的信噪比并沒有提高，因而傳統(tǒng)的檢測技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對微弱信號(hào)的檢測[3],。
本裝置采用了以相干檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的鎖相放大器來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲背景下微弱信號(hào)的檢測。該裝置在有效抑制噪聲的條件下,，提高被檢測信號(hào)的輸入信噪比,，有選擇地放大微弱信號(hào)的幅度，最終提取出有用的“微弱信號(hào)”,。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比,，該微弱信號(hào)檢測裝置在測量精度、抗干擾能力等方面都得到很大提高,。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1.1 系統(tǒng)的工作原理及框圖
　系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,，主要由基于鎖相放大器的微弱信號(hào)檢測電路,、微處理器MSP430、電源模塊和顯示電路組成,。其中,，微弱信號(hào)檢測電路原理框圖如圖2所示，其主要由前置放大,、前置濾波,、相敏檢波器AD630、移相網(wǎng)絡(luò)以及低通濾波等電路組成,。

　本系統(tǒng)首先通過前置放大電路對強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大,，再通過前置濾波器選擇設(shè)計(jì)所需的通頻帶，然后通過以AD630為核心器件的鎖相放大器,，最后通過低通濾波器輸出直流信號(hào)檢測出微弱信號(hào),，將該直流信號(hào)通過MSP430 MCU進(jìn)行A/D采樣和數(shù)據(jù)處理后，通過液晶顯示出來,。
1.2 微弱信號(hào)檢測電路的設(shè)計(jì)
　在本設(shè)計(jì)中,，微弱信號(hào)檢測電路是利用鎖相放大的原理對強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)進(jìn)行相干檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)對信號(hào)的窄帶化處理,，能有效抑制噪聲,，實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的檢測和跟蹤。鎖相放大器是一種對交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器,，它利用與被測信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為基準(zhǔn),，只對被測信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻、同相的噪聲分量有響應(yīng),。因此,，鎖相放大器能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比,。此外,，鎖相放大器有很高的檢測靈敏度，信號(hào)處理比較簡單,，是微弱信號(hào)檢測的一種有效方法,。
　本設(shè)計(jì)中，鎖相放大器由信號(hào)通道,、參考通道和相敏檢波器AD630 3部分組成,，其中核心部件是AD630。信號(hào)通道由前置放大和前置濾波組成,，其作用是對強(qiáng)噪聲背景下的微弱輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大,，再通過前置濾波器選擇設(shè)計(jì)所需的通頻帶。參考通道的作用是提供一個(gè)與微弱輸入信號(hào)同頻率,、同相位的參考信號(hào),。相敏檢波器AD630的作用是使參考信號(hào)與輸入信號(hào)做模擬乘法運(yùn)算,，利用參考信號(hào)與輸入信號(hào)的互相關(guān)特性，提取出與參考信號(hào)同相位,、同頻率的輸入信號(hào),，從而在強(qiáng)噪聲背景下提取出有用的微弱信號(hào)，實(shí)現(xiàn)同步相干檢測[4-5],。
1.2.1 前置放大濾波電路
　前置放大濾波電路如圖3所示,，為了滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一款巴特沃斯低通濾波器,，其截止頻率為2 kHz,。通過巴特沃斯低通濾波器的兩級(jí)放大使增益達(dá)到100倍，每級(jí)放大倍數(shù)都為10倍,。該電路不僅用于對強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大處理,，使其輸入到后級(jí)鎖相放大器的信號(hào)有個(gè)適當(dāng)?shù)姆龋欢以撾娐纺転V除所需頻帶外的噪聲,，降低了噪聲對信號(hào)的干擾,，提高了輸入信號(hào)的信噪比。

1.2.2 移相網(wǎng)絡(luò)
　本設(shè)計(jì)中,，所設(shè)計(jì)的移相網(wǎng)絡(luò)原理圖如圖4所示,。該移相網(wǎng)絡(luò)使用的核心器件是TI公司的運(yùn)算放大器OPA2227，該移相網(wǎng)絡(luò)主要用于對參考信號(hào)進(jìn)行移相,。其原理是RC相移,，通過跳線選擇不同的接口，調(diào)整可變電阻可以實(shí)現(xiàn)不同的相移,。通過使用一片OPA2227來實(shí)現(xiàn)對參考信號(hào)進(jìn)行相移,，其中原理圖上方部分可以實(shí)現(xiàn)0~90°的相移，下方的模塊可以實(shí)現(xiàn)90°~180°相移,。但是需要注意一點(diǎn)：必須在該原理圖下方的移相模塊中加入飽和電阻,，否則頻率過低時(shí)容易出現(xiàn)輸出信號(hào)飽和。

1.2.3 相敏檢波器
　相敏檢波器電路以AD630芯片作為核心器件,，其電路原理圖如圖5所示,。AD630是一款高精度的平衡調(diào)制器，具有出色的精度與溫度穩(wěn)定性,，非常低的通道串?dāng)_以及較高的共模抑制比和增益調(diào)節(jié),，同時(shí)還可以在外部加入反饋來實(shí)現(xiàn)所需增益與開關(guān)反饋布局。它可以從100 dB噪聲中恢復(fù)信號(hào),，頻帶寬度達(dá)到2 MHz。AD630內(nèi)部包含兩路放大器,、一路比較器和一路濾波用放大器,，用外部電阻和電容配合,，就可以實(shí)現(xiàn)鎖相放大器的功能。因此,，參考信號(hào)經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)后就不再需要設(shè)計(jì)比較器,。其信號(hào)處理應(yīng)用包括：平衡調(diào)制與解調(diào)、同步檢波,、相位檢測,、正交檢波、相敏檢測,、鎖定放大以及方波乘法等,。實(shí)際上，鎖相放大器與調(diào)制解調(diào)有些類似,，只不過頻率更低,。使用本芯片可以減少相敏檢波器與噪聲方面的許多考慮，大大減小了開發(fā)難度,，縮短了開發(fā)周期,。

1.2.4 低通濾波電路
　輸入信號(hào)通過相敏檢波器后還需對信號(hào)進(jìn)行最后一步處理，在輸入信號(hào)包含的信號(hào)分量中,，只有與參考信號(hào)頻率完全一致的信號(hào)才能在相敏檢波器的輸出端得到直流偏量,，其他信號(hào)在輸出端都是交流信號(hào)。如果在相敏檢波器的輸出端加一個(gè)低通濾波器,，那么所有的交流信號(hào)分量將全部被濾掉,，剩下的直流分量就只是正比于輸入信號(hào)中的特定頻率的信號(hào)分量的幅值。同時(shí),，低通濾波電路可以對信號(hào)的幅度進(jìn)行改善,，調(diào)節(jié)增益使之與源信號(hào)幅度一致。本系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的低通濾波電路如圖6所示,，采用的是TI公司的LF353運(yùn)算放大器,。

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析
　在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來產(chǎn)生一個(gè)頻率范圍為500 Hz~2 kHz,、幅度峰峰值較小的微弱正弦波信號(hào),。噪聲源采用標(biāo)準(zhǔn)噪聲（wav文件）來產(chǎn)生，通過PC的音頻播放器或MP3播放噪聲文件,，從音頻輸出端口獲得噪聲源,，噪聲幅度通過調(diào)節(jié)播放器的音量來進(jìn)行控制。微弱正弦波信號(hào)與噪聲源信號(hào)經(jīng)加法器進(jìn)行疊加,，疊加后的信號(hào)用來模擬強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱信號(hào),，將該微弱信號(hào)作為微弱信號(hào)檢測裝置的輸入信號(hào)，對系統(tǒng)進(jìn)行性能測試,，實(shí)現(xiàn)對該微弱信號(hào)進(jìn)行檢測,。
當(dāng)微弱信號(hào)檢測裝置的輸入信號(hào)的頻率f在500 Hz~   2 kHz范圍內(nèi),、幅度峰峰值在50 mV~2 V范圍內(nèi)變化時(shí)，檢測并顯示微弱信號(hào)檢測裝置輸出信號(hào)的幅度值Vo,，并記錄液晶顯示器的數(shù)據(jù),。其輸出信號(hào)的幅度峰峰值與輸入信號(hào)的頻率、幅度的變化關(guān)系的數(shù)據(jù)如表1所示,。

　測試結(jié)果表明,，對不同頻率、不同幅度峰峰值的微弱信號(hào),，該微弱信號(hào)檢測裝置能精確地進(jìn)行檢測,，將強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱信號(hào)檢測出來，用液晶顯示器輸出穩(wěn)定的測量值,，且微弱信號(hào)的測量值與信號(hào)發(fā)生器的輸出值大小基本吻合,。這說明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱信號(hào)的檢測,，且測量精度較高,。
該微弱信號(hào)檢測裝置不需要復(fù)雜的電路就能有效抑制高強(qiáng)度噪聲信號(hào)，提高系統(tǒng)信號(hào)的信噪比,，并能夠在強(qiáng)噪聲背景下提取有用的微弱信號(hào),，較好地實(shí)現(xiàn)了對微弱信號(hào)的檢測，其抗干擾能力強(qiáng),，測量精度高,。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊漢祥.微弱信號(hào)檢測技術(shù)的研究[J].科技廣場，2009（1）：27-30.
[2] 夏均忠,，劉遠(yuǎn)宏,，冷永剛，等.微弱信號(hào)檢測方法的現(xiàn)狀分析[J].噪聲與振動(dòng)控制,，2011（3）：156-161.
[3] 秦玉偉.傳感器微弱信號(hào)檢測方法研究[J].河南科學(xué),，2013，31（2）：155-157.
[4] 朱曉莉,，厲霞.基于AD630的雙相鎖相放大器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),，2012，41（6）：19-23.
[5] 楊建新,，武銀蘭.鎖定放大器在檢測微弱信號(hào)中的應(yīng)用[J].物理通報(bào),，2012（9）：80-82.