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(cè)裝置，用于檢測(cè)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(cè)試表明，該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測(cè)，其抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高。
關(guān)鍵詞： MSP430；微弱信號(hào)；強(qiáng)噪聲；檢測(cè)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?cè)絹碓叫枰獜膹?fù)雜、高強(qiáng)度的噪聲中檢測(cè)出有用的微弱信號(hào)，于是微弱信號(hào)檢測(cè)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(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)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(duì)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(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)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(cè)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(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究探索，研制新型的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置設(shè)備是目前微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。
微弱信號(hào)檢測(cè)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(cè)、混沌振子等方法，在微弱信號(hào)檢測(cè)中均有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)方法是使用放大和濾波電路對(duì)被測(cè)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(cè)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)[3]。
本裝置采用了以相干檢測(cè)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(cè)。該裝置在有效抑制噪聲的條件下，提高被檢測(cè)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(cè)裝置在測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)電路的設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)中，微弱信號(hào)檢測(cè)電路是利用鎖相放大的原理對(duì)強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的窄帶化處理，能有效抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)和跟蹤。鎖相放大器是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器，它利用與被測(cè)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(duì)被測(cè)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(cè)信噪比。此外，鎖相放大器有很高的檢測(cè)靈敏度，信號(hào)處理比較簡(jiǎn)單，是微弱信號(hào)檢測(cè)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(duì)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(cè)[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(duì)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?；而且該電路能濾除所需頻帶外的噪聲，降低了噪聲對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)、正交檢波、相敏檢測(cè)、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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)裝置的輸入信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)該微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。
當(dāng)微弱信號(hào)檢測(cè)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(cè)并顯示微弱信號(hào)檢測(cè)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(cè)試結(jié)果表明，對(duì)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(cè)裝置能精確地進(jìn)行檢測(cè)，將強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱信號(hào)檢測(cè)出來，用液晶顯示器輸出穩(wěn)定的測(cè)量值，且微弱信號(hào)的測(cè)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(cè)，且測(cè)量精度較高。
該微弱信號(hào)檢測(cè)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(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)，其抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高。
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