2023年辽宁省大学生电子设计竞赛。
微弱信号检测装置（a题）
2023年8月5日。
摘要。微弱信号检测装置是用以检测在强噪声背景下微弱正弦波信号的幅值，并数字显示出该幅度值的装置。
本设计首先将给定的噪声文件通过通过***或手机**，由音频输出线输出音频电压信号，此音频电压信号由ti公司的音频放大器opa2134进行幅度的调整输出噪声信号vn，可以达到1v0.1v的要求。正弦波信号源vs由函数信号发生器产生，采用ti公司的高精度运算放大器构建加法电路实现vc =vs+vn。
采用精密电阻构建电阻分压网络以实现100倍的幅度衰减。经上述处理产生了带有噪声的微弱信号vc，并且噪声的频带覆盖了有用信号的频带。
带有噪声的微弱信号vc先经仪用放大器ad620进行前置放大，然后经低通滤波器和高通滤波器滤除2.1khz以上和400hz以下的噪声信号，再经opa2227进行二次放大，使得待测信号的噪声得到抑制。为了剥离噪声，采用了锁相相关技术和取样积分方法。
采用原始的正弦信号vs作为参考信号，此参考信号经运放阻抗隔离后进行滤波，为达到与待测信号vc同相，参考信号的滤波与待测信号的滤波电路一致。滤波后的参考信号经比较器后得到与待测信号同频同相的。待测信号与参考方波信号经cd4066后变为半波信号，在经积分环节可得到与峰值有关的直流信号。
最后由msp430单片机内部的a/d进行采样与数据处理，最后依据经实验测试得到输出结果与待测值的比例系数，可以求出正弦信号的峰值。
关键词：微弱信号检测；峰峰值；均方根值；锁相放大；取样积分；
本设计的任务是完成ti大赛的a组竞赛题。要求设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。系统由微弱信号生成模块、微弱信号检测电路模块、msp430及显示电路模块组成，其中微弱信号生成模块由噪声信号生成电路、加法电路、纯电阻分压网络组成，如图1.
1所示。
图1.1系统总体结构图。
图1.1中的正弦波信号源vs由函数信号发生器产生，信号的频率在500hz ~ 2khz范围内，峰峰值在20mv ~ 2v范围内。噪声vn由给定的噪声文件通过通过***或手机**，通过一定的音频接收电路产生，vn的均方根电压值固定为1v0.
1v。加法器的输出vc =vs+vn，带宽大于1mhz，纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。可见，经电阻分压网络后的信号为带有噪声的微弱信号（25mv以下）。
因此设计的重点为微弱信号检测模块的设计。微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。常用的微弱信号检测方法有：
滤波，锁相放大，取样积分等。下面介绍下面介绍各模块的设计方案。
1.1.1噪声信号生成电路设计方案。
噪声信号由给定的噪声文件通过通过***或手机**，由音频输出线输出音频电压信号，经测量，原始的噪声信号频率范围为0~20khz，幅度为50毫伏以下。为使得输出的噪声信号vn达到均方根值1v0.1v的要求，需要设计放大电路进行幅度的调整。
方案一：采用ti公司的lm324a通用四运放构成同相比例放大电路，来对噪声信号电压进行放大。lm324a具有低功耗，**低等优点，带宽为（1.
2mhz），适用场合比较多，可以作为音频放大器用。但其并非专用的音频放大器，音质较差，在对噪声信号电压放大时有可能使信号的输出失真。
方案二：采用ti公司的opa2134音频放大器来提高噪声信号的电压，构成噪声信号调整电路。因其具有超低失真，低噪声，高带宽（8mhz），高精度等优点，可以在不失真的情况下输出噪声，并达到提高电压目的。
综合以上两种方案，选择方案二。
1.1.2 加法器电路设计方案。
设计要求构建加法电路实现vc =vs+vn，vn的峰峰值为20mv ~ 2v，vn的均方根值为1v0.1v，相加后信号幅度小于2.5v，但要求vc带宽大于1mhz，因此应选用宽频带的放大器。
经选择采用ti公司的低噪、高精密运算放大器opa2227。
1.1.3 纯电阻分压网络设计方案。
设计要求纯电阻分压网络对vc进行不低于100的衰减。拟采用精密电阻构建电阻分压网络，实现信号衰减。
1.2.1 采用微弱信号检测方法。
微弱信号"不仅意味着信号的幅度小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感原理、相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号。
由于被测量的信号微弱，传感器、放大电路和测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅度大的多，放大被测信号的同时也放大了噪声，而且必然会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和各种外部干扰的影响，因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提取出有用的信号。
本设计的微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。常用的微弱信号检测方法有选频放大、滤波，锁相放大，取样积分等。
在测量中，噪声是一种不希望的扰乱信号，它是限制和影响测量仪器的灵敏度的白噪声和1／f噪声的低频噪声。这些噪声是无法用屏蔽等措施消除的。为了减少噪声对有用信号的影响，常用窄带滤波器滤除带外噪声，以提高信号的信噪比。
但是，由于一般滤波器的中心频率不稳，而且带宽和中心频率以及滤波器的q值有关等原因，使它不满足更高的滤除噪声之要求。
选频放大技术是使放大器的中心频率f 0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。
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