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微弱信号检测装置论文

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来源：莲生三十二

作者：开心麻花

2025-09-19

微弱信号检测装置论文（精选8篇）

微弱信号检测装置论文第1篇

关键词：信号检测,锁相放大,加法器

1 原理分析

1.1 电路原理分析

结合考虑过的各种方案, 利用模拟电路的各种电路。开始一个信号与噪声经过加法器, 从输出端输出一个信号与噪声混合的一个信号。经过衰减电路, 衰减系数不小于100。再是微弱信号检测装置部分, 也是本题的难点。此阶段的设计为四大部分:带通滤波器、移相电路、相乘器电路及低通滤波器。图1.1所示即本系统的原理框图。

1.2 电路设计

1.2.1 加法器电路

TL081CN的特点是低功率消耗、电压范围宽、输出短路保护、低谐波、具有高转换率。电压放大倍数高。电压可以满足VC=VS+VN且带宽大于1MHz。

最终选择TL081CN芯片作为加法器电路的芯片。焊接结束后测试输入电压与输出电压可以满足电路里的等式。通过示波器观察数值, 也满足大于100MHz。

1.2.2 纯电阻分压网络电路

本设计开始就采用电阻搭建, 采用了99:1的电阻来进行搭建。因为基础部分要求纯电阻分压网络的衰减系数不低于100, 所以采用99:1的电路就可以实现衰减原来的。

1.2.3 微弱信号检测电路

AD633JN芯片, 是一款功能完整的四象限模拟乘法器。它无需外部器件、高精度激光调整, 稳定可靠、总误差在满量程的2%以内、差分高阻抗X和Y输入、高阻抗单位增益和输入、经过激光调整的10V比例基准电压源。

2 电路分析与计算

2.1 带通滤波器

带通滤波器的功能让一定频率范围内的信号通过, 而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。在混合的信号通过带通滤波器得到规定的500-2000HZ的微弱有用正弦信号的同时尽量抑制掉一些噪声信号。可以得到1KHz的频段。按照设计要求所设计的带通滤波器的通频带范围160-2400HZ, 增益为40DB。

2.2 锁相放大电路分析与计算

2.2.1 电路的原理

锁相放大电路利用相干解调原理实现提取幅度值的过程。该电路的一路为微弱信号, 另一路为正弦信号。当两路信号同频时, 通过电路后实现了抑制交流信号的同时提取出直流信号, 而直流信号刚好与设计中所要求的被测信号幅度值有关;该两路信号不同频时经过分析不会有信号输出。

2.2.2 数值的计算

混合信号:Asin (ωt+α) +n (t) 参考信号:Bsin (ωt+β)

延时900的信号:Bcos (ωt+β)

一路的信号的计算:

另一路信号的计算:

经自相乘再相加

在相加之后就可以得到这个分量。所以本设计在实际操作中并没有采用开方。总之, 最终得到没有噪声的直流分量。

2.3 低通滤波器分析

低通滤波器是让某一频率下的信号分量通过, 而对该频率以上的信号分量大大抑制。同时容许低于截止频率的信号通过, 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。本设计中低通滤波器的截止频率为200HZ。

3 测试方案及结果

3.1 测量结果误差分析

本设计实现了所有基本功能, 达到了基本指标:

(1) 噪声源输出VN的均方根电压值固定为1V±0.1V;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。

(2) 微弱信号检测电路的输入阻抗Ri≥1MΩ。

(3) 当输入正弦波信号VS的频率为1kHz、幅度峰峰值在200mV~2V范围内时, 检测并显示正弦波信号的幅度值, 要求误差不超过5%。

4 结语

本检测装置以双相锁相放大和乘法电路为核心, 现实检测装置能将淹没在噪声中的微弱信号提取出来, 通过新的检测手段, 抑制噪声, 提高了工程测量精确度。当输入正弦波信号VS的频率为1kHz、幅度峰峰值在20mV~2V范围内时, 检测并显示正弦波信号的幅度值, 并且误差很小。

参考文献

[1]谢楷, 赵建.MSP430系列单片机系统工程设计与实践[M].北京:机械工业出版社, 2009.

[2]谢楷, 赵健.MSP系列单片机系统工程设计与实践[M].北京:机械工程出版社, 2009.

微弱信号检测装置论文第2篇

摘要：阐述了相关检测技术的原理，在LabVIEW软件中设计了仿真实验，结果表明：基于相关原理的实验方案完全可以实现强噪声背景下的微弱信号的提取。

关键词：相关原理；微弱信号；检测

中图分类号： TN91 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）11-154-2

0 引言

在研究自然现象和规律的科学实验和工程实践中，经常会遇到检测毫微伏级信号的问题，如进行红外探测以及生物电信号的测量等，这些问题都归结为噪声中微弱信号的检测，所以微弱信号检测成为了许多科研都必须面对的问题。常用的微弱信号检测方法有[1、2]：①相关检测法；②时域信号的平均处理法；③离散信号的计数处理法；④计算机处理方法。其中，相关检测技术为频域信号的窄带化处理，用于检测单一频率的微弱信号，在谐波检测等各种领域中有着广泛的应用。

1 相关检测技术原理

设测信号为Asin（ωt+α），噪声为n（t）。由于待测幅值A很小，常常被周围的噪声淹没。为了提取该信号，需要提供一个同频率的正弦信号Bsin（ωt+β），其幅值B是确定的。两路信号到达乘法器，进行运算，结果为ABcos（α-β）-cos（2ωt+α+β）

+n（t）Bsin（ωt+β）（1）

式中，第一项为直流成分，大小与两信号幅值及相位差的余弦成正比；第二项为待测信号的二倍频信号；第三项为与待测信号同时进入乘法器的噪声和参考信号相乘的结果，几乎都是交流信号。由于低通滤波器的通带可以做得很窄，经过低通滤波器，待测信号的二倍频信号和噪声与参考信号相乘的结果可以被滤掉，仅剩下直流信号，即ABcos（α-β）。只要两个信号的初相位α和β是已知的，则cos（α-β）是恒定的。由于参考信号的幅值B是确定的，那么很容易得到待测信号的幅值A，从而实现对微弱信号的检测。

2 微弱信号检测实验

根据上述原理，在LabVIEW软件中进行相应的实验设计。设置待测信号频率为1KHz，其幅度为1mV，噪声（假设噪声为具有普遍意义的高斯白噪声）幅度也为1mV，两者幅度之比为1：1，其波形如图2所示。

设置参考信号的频率必须与待测信号相同，其幅度可自行设置，这里设置为10V。两信号的初相均设置为0，可知cos（α-β）=1，输出结果为AB。仿真实验原理设计如图3所示，其中Simulate Signal为待测信号，下面的Simulate Signal2为参考信号。两信号经过乘法器进入低通滤波器，设置低通滤波器为5阶Butterworth低通滤波器，其截止频率为0.1Hz。经过低通滤波后的数据分别进入数据显示窗口和波形显示窗口。在进入数据显示窗口之前，数据扩大了1000倍，以便显示。另外，乘法器的输出直接送给了波形显示框口，目的是为了以便观察相乘器的输出结果。

实验的显示其前面板如图4所示。白色信号为乘法器的输出信号，红色信号为经过低通滤波器之后的信号，右侧数据显示窗口所显示的即为该信号的大小。

所显示的数据为5，即有AB=5（mV），其中参考信号的幅度B=10（V），可以计算出待测信号的幅度为A==10（V）=1（mV），可见和所设置的待测信号的幅度是一致的。为进一步验证相关检测提取微弱信号的能力，下面把待测信号的幅度降低为0.1mV，噪声幅度保持不变，参考信号的幅度以及低通滤波器的参数均保持不变。信号如图5所示，可以看出，信号完全被淹没在强噪声背景下。实验结果如图6所示。

数据显示窗口所显示的数据为0.51，根据AB=0.51×10，可以求得待测信号的幅度A=0.102mV，与实际所设置的幅度（0.1mV）略有偏差。然后把低通滤波器的截止频率由0.1Hz设置为0.01Hz，输出信号可以稳定地显示0.5，但输出信号的稳定需要一段时间，这是由于积分常数设置较大的缘故。在实际中，应根据具体情况来设置积分常数。

3 结论

上述实验结果表明，基于相关原理的微弱信号检测技术可以实现强噪声背景下信号的提取，为当前微弱信号检测提供了一条行之有效的途径。基于相关原理的微弱信号检测仪已经出现，但价格昂贵。充分利用软件，设计基于软件的微弱信号检测仪可以大幅度降低设备成本，提高仪器的智能化程度等。充分发挥软件在仪器仪表中的作用，已成为了当前智能仪器仪表的发展趋势之一。

参考文献

[1] 戴逸松.微弱信号检测技术及仪器[M].北京：国防工业出版社，1994.

微弱信号检测装置论文第3篇

1 测试需求分析

在随机强噪声背景下, 已知正弦微弱信号的频率为1 k Hz, 幅度峰峰值在20 m V~2 V范围, 正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替;而随机强噪声用标准噪声文件, 噪声均方根电压值固定为1 V±0.1 V。设输入信号为VS, 随机噪声为VN, 加法器输出为VC=VS+VN, 要求加法器输出通过衰减系数不小于100的纯电阻网络后进行检测并给予显示。由于信号幅值比较小, 经过100倍的衰减后将变得更加微弱, 所以要经过放大, 信号和噪声的分离、信号检测关键在于滤波器和放大器的设计。本装置的设计思路是, 先将衰减后混合信号经前级放大器放大[1,2]后, 再经过5阶巴特沃斯带通滤波器滤波[1], 滤除得到300 Hz~3.4 k Hz信号, 输入模拟乘法器实现的锁相放大检测信号电路[1,3], 再由集成滤波器MAX297构成的低通滤波器得到小信号, 经过AD采样后, 通过TI的小开发板Launchpad控制显示。模拟乘法器的参考信号由MSP430F449编程产生, 已知信号的频率为1 000 Hz, 而本方案中需要产生1 000.2 Hz的参考信号, 可通过在单片机内部存放波表, 通过I/O口将波表数据输出给D/A器件, 实现数/模转换[1,4]。

2 总体设计

该装置测试系统加法器实现两路信号叠加, 模拟产生混叠信号, 纯电阻分压衰减的是淹没的正弦信号, 最后提取得到的信号与Vs对比。其中带通滤波器为5阶巴特沃斯有源滤波器, 用UA741实现, 乘法器用MPY634实现。需要一个标准的参考信号, 用MSP430单片机产生。对于后级的低通滤波器要求比较高, 要求截止频率为0.3 Hz, 低通滤波器的输出信号加到ADS1115模/数转换器进行A/D转换, 并由Launchpad控制显示。

3 主要硬件模块设计

3.1 加法器设计

加法器电路[2]采用低噪声运放AD604。AD604是一款超低噪声、精度极高、双通道、线性d B可变增益放大器 (VGA) , 针对超声应用中基于时间的可变增益控制进行了优化, 但同样支持任何要求低噪声、宽带宽、可变增益控制的应用。AD604的每个通道均提供300 kΩ输入电阻和单极性增益控制, 使用方便。微弱正弦信号VS与强噪声信号VN分别经一个10 kΩ电阻在AD604的同相端相加, 模拟产生混叠信号。

3.2 小信号放大器设计

由于对微弱信号的获取和幅值测量很难实现, 因此需要先对该信号进行放大后再对信号进行相应的处理。

小信号放大电路[1,2]如图1所示, 采用TI出品的一款极低噪音频双运放放大器OPA2134, 输出信号带宽为8 MHz, 满足系统中对输入信号带宽的要求;输入阻抗为3.3 MHz。小信号放大电路的放大倍数为100~120倍, 输入放大电路的微弱正弦信号经放大电路放大后, 为后面的检测和测量提供方便。

3.3 锁相环电路设计

锁相放大电路检测微弱信号的原理是基于信号和噪声在相关特性方面的差别。它起到了一个极窄的带通滤波器的作用 (而不是普通滤波器) 。本装置中用模拟乘法器实现锁相放大[1,3]。

模拟乘法器是对两个模拟信号 (电压或电流) 实现相乘功能的有源非线性器件。主要功能是实现两个互不相关信号的相乘, 即输出信号与两输入信号的乘积成正比。它有两个输入端口, 即X和Y输入端口。Vr是标准参考信号, 频率为1 000.2 Hz, 由MSP430F449最小系统板存放波表, 然后控制DAC0832输出产生, Vs是混叠信号, 设1 000 Hz正弦信号和噪声混叠的表达式为:

1 000.2 Hz参考信号表达式:

由乘法器输出的信号vo为:

将式 (1) 、式 (2) 代入式 (3) 可得:

该输出信号包含了众多频率成分信号, 同时包含了输入信号频谱搬移后的信号, 分别位于2 000.2 Hz和0.2 Hz处。再将该输出信号输入8阶低通椭圆型开关电容低通滤波器MAX297, 便可将小信号从噪声中提取出来。乘法器电路如图2所示, 本地参考信号产生电路图如图3所示。

3.4 低通滤波器的设计

由于乘法器的输出有两个频率0.2 Hz和2 000.2 Hz, 而需要的是0.2 Hz的信号, 故采用滤波法。一般的滤波器很难做到这么低的截止频率, 选择集成滤波器芯片MAX297[1]。MAX297是一款8阶低通椭圆开关电容滤波器[2], 时钟可调转角频率范围为0.1 Hz~50 k Hz, 时钟频率比为50:1。现在需要0.3 Hz截止频率的滤波器, 于是输入的时钟频率就是15 Hz, 由MSP430F449的精确定时器产生。MAX297的电路图如图4所示。

4 测试系统软件设计

本装置选用TI器件Launch Pad和单片机最小系统板做主控制器件, Launch Pad负责绝大部分控制信号, MSP430F449最小系统板用于存放波表和控制D/A输出频率, 并利用其精准的定时器产生15 Hz的方波信号用于MAX297的时钟。Launch Pad负责本系统中的A/D转换检波、数据处理和数据显示[5]。由于ADS1115是串行数据传输, 速度比较慢, 故放在主函数中一直进行采样, 通过配置寄存器使LCD1602等时间地刷新显示。软件流程图如图5所示。

5 实验应用

用于测试的主要仪器:双踪数字存储示波器, 型号为TEKTRONIX TDS1002;直流稳压稳流电源, 型号为SG1733-SB3A;20 MHz函数信号发生器, 型号为ROGOL DG1022, 输入的正弦信号频率为1 k Hz, 峰峰值为20 m V~2 V。实验测得的数据如表1所示。

从实验数据看, 误差约4.2%。由于电路焊接和器件的各种误差, 对于淹没的小信号的提取效果较好, 而且这个误差还可以进一步减小, 关键在于产生的1 000.2 Hz参考信号的频率能否稳定以及滤波器的选定。因为滤波器的截止频率很低, 所以对滤波器的要求很高。本系统提取小信号的思想也可以扩展到其他领域。实际应用表明, 该装置具有测试准确、稳定可靠的特点。

摘要：对于淹没在背景噪声中的微弱信号, 由于信号本身的涨落以及背景和放大器噪声的影响, 其测量灵敏度受到限制。以TI公司出品的MSP430小开发板Launchpad为处理和控制的核心, 设计并制作了微弱信号检测装置, 通过信号放大电路、乘法器电路、滤波电路和锁相电路等信号处理, 实现了在强噪声 (噪声均方根电压值固定为1 V±0.1 V) 背景下对待测微弱正弦信号的提取和幅值检测, 并通过LCD液晶显示。实际运用表明, 该系统具有操作灵活简便、测试较为准确的特点, 达到了设计要求。

关键词：Launchpad,微弱信号,强噪声,信号提取,幅值检测

参考文献

[1]黄根春, 周立青, 张望先.全国大学生电子设计竞赛教程——基于TI器件的设计方法[M].北京:电子工业出版社, 2011.

[2]董尚斌, 苏利, 代永红.电子线路 (I) [M].北京:清华大学出版社, 2008.

[3]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计 (第二版) [M].北京:北京航空航天大学出版社, 2011.

[4]黄根春, 张望先.电子设计教程[M].北京:电子工业出版社, 2007.

微弱信号检测技术探讨第4篇

一、对微弱信号进行检测的具体方法

在这里需要给大家明确和普及的是在我们进行有用微弱信号的检测时, 它的困难之处并不在于信号的微小, 而是说此时的信号非常不纯净, 被噪声给掩埋和污染了, 受到严重的噪声干扰的现象。那么我们要采取的有效的方式是想尽办法竭尽全力去抑制噪声。将有用信号从微弱信号中检测出来, 驱除强噪声, 主要有两种方法, 它可以大大提高信号检测的灵敏度或抑制降低噪声。这两种方法分别是:

1. 首先要弱化现场噪声环境, 或是提

高噪声的检测度, 可以通过两种设备, 及传感器和放大器来实现这一功能。根据这一理念可以创新出更优有效的低噪声放大器, 从科研的角度出发, 提供更先进的器材来解决问题。

2. 凡事要遵循规律去做, 办事才会觉

得简单。可以先从噪声产生的原因和规律方面入手, 还包括需要被测信号的特点入手, 从而把有用信号从掩埋掉的噪声背景中提取出来, 研究它的检测方法。微弱信号的检测, 一般是采用第二种方法。

3. 第三呢, 我们会发现除了噪声导致

了微弱信号的出现, 还有一个原因就是信号通道的干扰。这种干扰无疑对微弱信号的检测是非常有害的。找到问题的根源, 可以根据它的特点来采取相应的措施加以消除。滤波技术、相关原理和相关检测技术、同步积累发、光子计数等都是可以用到微弱信号的检测上的。

二、MEMS器件用于微弱信号检测技术

1. 微小电容检测

几皮法的采用是微电机系统电容输出中最为常见的一种方法。随着科技的发展和微机电的不断完善, 它的体积和尺寸也趋向“迷你”型, 小巧和精致, 它所能输出的电容量自然而然较以前要小得多。因此, 对电容进行定期的检测就显得尤为重要。将敏感、容易出现故障的检测电路改造为输出电容量很小的电路检测, 将会在很大程度上扩大和提高传感器的功能范围和效能。在小电容检测电路方面, 一般有4种很典型的也是常规的测量方式:1) 用相位测量法;2) 将电容的信号同频率信号进行严格转化;3) 采用开关电容电路;4) 实现电容信号与电压信号的一个转换, 这也是目前各个信息战术里面使用到最为广泛的方法。但是, 根据不同的情况和场景, 是科研将以上所提及到的几种方法进行交叉和综合使用。随着科研人员不懈努力完善电子集成技术同时把传感器的电容值改造得越来越小, 对更优质更能有效的检测出被噪声污染掩埋掉的微弱信号进行检测提出了更高的要求, 从而满足电容微小化的需求。

2. 压阻式检测方法检测微弱信号

一种很常规的检测微弱信号的设备是压阻式传感器。它具有同其他传感器检测不一样的特殊点是:它的研发制造成本低因而消费者进行购买的费用低, 而它进行工作时发出的声音和动作都比较小, 输出线性较好, 制作的形式和成型简单。但它也有自身的局限性, 即容易受温度的影响。压敏式电阻的结构设计成惠斯通电桥的形式, 这样在很大程度上提高了电容的灵活度和敏感度, 从另外一个方面来说也降低了污染性的温室效应。特别需要注意的是对那些细小而微弱的应力, 他们在生产和加工过程中遗留梁上或基座上, 会对压敏电阻的正常工作造成一定的影响。

3. 压电式微弱信号检测方法

当某些电解质在受到一定的外界施加压力时, 它的内部结构会发生相应的极化现象, 同时在它们的表面上会产生正负相反的电荷;当这种外在的压力不再存在时, 它又重新恢复原来的不带电的状态, 这种现象被我们称之为压电效应。当外在的施加压力向相反的方向发生转变时, 电荷的正负两极也会发生相应的变化。同这种情况相反的是, 当在电解质的正负两极向上施加压力时, 它也会变形, 这种现象被我们称为逆压电效应。晶体上的逆压电的大小是根据外界施加在晶体上的力的大小而决定的, 大小的数据通过加速度计来记录。

三、结论

对信号而言, 时间的变化范围和程度是基础, 但是, 如果想要深入理解和检测到微弱信号, 那么研究不同的信号表示也是非常有用的。其他, 温度的变化也会在很大程度上影响磁场探头接收和电磁辐射信号的精确度, 二维回归法在出来小样本多元数据方面具有独特的优势。本文最主要阐述了各种微弱信号的检测方法和必须要注意到的细节部分, 他们的优点使用范围, 也从经济效益上进行了简单的分析;另外还重点阐述了MFMS这一器件在微弱信号的检测方法, 展示了它的优点和多种功能。

参考文献

[1]姜银州, 高涛.挖掘机多种故障诊断分析与排除[J].科技创新导报.2011 (10)

[2]高波.工程机械液压系统故障现场的诊断[J].中小企业管理与科技 (上旬刊) .2011 (04)

微弱信号检测与锁定放大电路第5篇

互相关检测方法是根据接收信号的频率,在接收端产生与待测信号频率相同的参考信号,将参考信号与混有噪声的被检测信号进行相关处理,利用信号与噪声的不同的相关特性提取信号。在互相关检测方法中,需要了解被检信号的频率,确定参考信号的频率,并调整参考信号的相位,使互相关值最大。传统的互相关检测方法,往往假定被检测信号的频率,参考信号采用方波进行互相关[5],而在理论分析时,将方波分解为基波和谐波,通过滤波滤除谐波成分的影响,因此传统的互相关检测存在一定的缺陷,如缺乏频率自动检测与跟踪能力、方波的谐波成分对互相关的影响,特别是频率较低的信号检测,受谐波的影响更大。为此,笔者提出了一种基于锁相环和直接数字频率合成( Direct Digital Synthnesizer,DDS) 技术的微弱信号检测方案,利用锁相技术提取被检信号的频率,并以该频率为参考,通过DDS技术选择合适的波形进行相关处理,确定被检测微弱信号的幅度与相位,从而获得微弱信号的重建。

1 锁定检测放大器的工作原理与电路

基于锁相环和DDS技术的微弱信号检测系统如图1 所示。低信噪比信号通过低噪放大器进行幅度放大,由锁相环提取被检信号的频率,该频率值通过控制器传输给DDS,DDS产生同频率的本地参考信号,该信号与被检信号进行互相关运算。由于互相关运算与两者的相位差有关,因此控制器步进调整参考信号的相位使互相关值最大,此时DDS输出的信号与被检信号同频同相,再经放大器即可获得所需信号的幅度。显然,微弱信号检测的灵敏度与检测信号的带宽取决于锁相环的性能,被检信号的相位恢复取决于DDS的相位控制精度。

1. 1 锁相环电路

锁相环是一种相位反馈控制电路,通过相位的控制获得频率同步,因此锁相环输出的频率与被检信号的频率同步,但保持稳定的相位差。锁相环主要由鉴相器、压控振荡器和环路滤波器构成。笔者设计的微弱信号检测系统选用模拟集成锁相环LM565,其电路如图2 所示。

模拟集成锁相环LM565的工作频率在0.001~-500 000.000Hz,鉴频失真度低于0.2%,最大锁定范围±60%。压控振荡器的中心频率由定时电阻RT(8端)和定时电容CT(9端)决定,考虑到扩大被检测信号的频率范围和单片机的频率检测范围,在压控振荡器的输出端4与鉴相器反馈输入端5间插入10分频电路。环路滤波由7脚所接电容C1和内部电阻R1组成,适合宽带信号跟踪。当锁相环处于入锁状态时,输出稳定的同频方波信号,并将分频器前、后的方波信号均输出至单片机;当检测信号频率较低时(如低于2kHz),利用10分频电路提高VCO的工作频率,提高锁相环的工作效率,此时单片机采集的信号频率为fout1;若检测信号频率较高(如高于20kHz),可直接将4脚输出与5脚相连接,此时单片机采集的信号频率为fout2。这里,锁相环的中心频率。

图2 中,9 脚所外接定时电容由单片机控制,可以通过更换不同的电容来选择不同的压控振荡器工作频段。

1. 2 DDS与频率合成

图1 中的DDS提供微弱信号相关检测用参考信号,这里选用AD9850( 其内部频率控制字字长32 位) 和高性能的10 位数模转换器( 工作时钟180MHz) ,采用的时钟频率为180MHz时,频率分辨率为0. 03Hz。可对输出正弦波信号的相位进行调整,具体电路如图3 所示。为滤除谐波和杂波的干扰,合成信号经过五阶椭圆低通滤波器滤波输出。

输出正弦信号频率fREF由频率控制字决定,根据系统需要,fREF被定义为锁相环获得的被检信号频率,因此频率控制字,其中fREFCLK为工作时钟,此处取20MHz。

AD9851 输出正弦信号的相位可步进控制,由5 位数据控制,其中低4 位数据控制相位,第五位控制方向,步进相位,其中N为相位控制字( b4b3b2b1) ,b5为相位方向控制字。

1. 3 相关运算电路

相关运算由AD633乘法器和低通滤波积分电路组成[6],如图4所示。截止频率10Hz,用以滤除噪声及谐波干扰等,其中运算放大器选用低噪声OP27。电位器RW用于调整电路漂移,电容C3=0.1μF,低通滤波用电阻R2=1MΩ,平衡电阻R3=1MΩ。

微弱信号检测装置论文第6篇

DSP的数字相干检波技术与模拟技术相比具有明显的优势,模拟的锁相放大技术采用的是方波,而数字PSD的参考信号是正弦波;模拟参考信号的方波会产生谐波分量限制了动态余量并造成了增益误差,而数字PSD的参考信号是正弦波,在定点DSP中可以达到16位的准确度,谐波分量很低,实际上谐波的抑制能力可以达到-120d B。数字相关检测系统如图1所示。

其中DSP芯片采用的是TMS320C5402,是性价比极高的16bit定点数字信号处理器,操作速率可达100MIPS。改进的哈佛结构解决了数据传输时的传输通道上的瓶颈现象;多处理单元可以在一个指令周期内同时进行运算,而这种结构恰好满足了数字信号处理中的一些特殊要求如FIR、IIR、FFT等运算。输入信号经A/D采样后,采集到的数据先保存在FIFO中,数据采集结束后DSP从FIFO中读取数据开始信号处理。信号处理的算法已编成程序保存在外部的Flash芯片上,供DSP上电读程序到其内部RAM单元。处理的数据通过HPI接口传送到主机方,以便进行相应的数值分析。

1.1 外部存储器接口设计

外扩IS61 LV6416是一种高速CMOS静态RAM芯片,存储容量为64K16位、数据存取时间为l0ns,能满足高速运行需要。其工作电压为3.3V,与C5402工作电压一致,无需电平转换,与C5402连接如图2。这是一种优化的混和程序和数据区外接RAM的方法,省去了C5402的地址线A15,这种方法可充分利用外部扩展RAM,不会因内部RA-M和外部RAM的地址重叠而造成外部RAM的浪费。

1.2 前置调理电路

由于很多微弱信号非常复杂,因此以脉冲信号为例来说明调理电路的必要性和具体功能,如图3(a),其尾部衰减的时间常数通常在几十微秒以上,而其上升时间通常有几十纳妙,这种“堆积信号”很容易使放大器阻塞而失去放大功能。先将输入信号变窄,但是经过简单的CR滤波电路后,在信号尾部出现了“反冲”如图3(b),利用极零相消电路如图3(c)可使反冲消失。波形为无限宽尖顶脉冲时可以达到最佳信噪比,但不适合后续电路的分析。可以使用两级积分电路如图3(d),前一级是二阶有源积分滤波成形电路。脉冲信号从同相端输入,对RC网络有很高的输入阻抗。随后紧跟一级无源RC积分电路。核脉冲信号经过两级的积分滤波成形电路后,就可以得到单一极性,顶部较圆,信噪比较高的“准高斯型波形”信号。这样变换后噪声被尽可能抑制掉,同时对信号进行了放大。

1.3 DSP部分设计

如图4所示首先对信号进行相敏检波计算,即用交流调制信号与两参考信号相乘;接着再通过低通滤波滤去两乘积中的交流成分,并计算两直流信号的平方和的平方根;然后将两结果进行相除,所得到的结果经过非线性校正,零点调节后等处理后所得到的值;最后再通过SCI通信模块将结果发送到计算机中。此处的高通与低通滤波采用四阶的IIR数字滤波器,其中高通滤波器的截止频率为1k Hz,低通滤波器的截止频率为100Hz。

2 结果分析

在输入端输入一个由50Hz和120Hz正弦信号构成的信号,并附加一随机噪声的干扰,从图5(a)中有一被噪声污染的信号很难看出其所包含的频率分量,后输入到检测电路,根据信噪比的改善情况来验证电路的有效性,进行相关处理,最后使得信号在噪声中凸现出来如图5(b)。

3 结束语

相关处理是信号处理中提高信号信噪比的基本方法之一,也是监测微弱信号的有效方法。基于此,设计的数字检测电路、前置调理电路,使输入信号更适合后续电路数字化处理和抑制噪声,且线性度较好,提高了处理速度与精度。

参考文献

[1]赵金.微弱信号在数字信号处理器上的检测与实现[J].北京:电子测试,2008,3:78.

用于气压测量的微弱信号检测电路第7篇

1 总体设计框图

被测气压由压力传感器变换为电压信号, 经数据放大器放大到设定电平, 由MSP430F149单片机的A/D转换器转换成数字信号, 最后由显示器显示出与气压成线性关系的电压读数。

2 硅压阻传感器

采用集成电路的扩散工艺, 把硼杂质掺入硅片而形成力敏电桥制成桥式硅压阻器件。桥式硅压阻器件受到力的作用后, 电阻率发生显著的变化, 这种效应称为压阻效应。硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时, 其内部原子结构的电子能级状态会发生变化, 从而导致其电阻率剧烈变化。这种硅压阻器件是将输入的机械量应变ε转换为电阻变化的转换器件[1]。

本设计选用ic-sensors 1210型桥式硅压阻器件作为测量系统检测部件。1210型是经过温度补偿的硅压阻式传感器, 采用双列直插封装结构。适用要求成本低, 性能优越, 长期稳定性好的应用领域。通过激光修正的电阻实现了0～50℃的温度补偿, 还提供一个激光修正的电阻用于调节差动放大器的增益来校正传感器的压力灵敏度变化, 使具有良好的互换性, 互换性误差仅为±1%。其性能为±0.1%非线性、±0.5%温度误差、±1%互换量程范围 (须接增益调节电阻) 、温度范围0～50℃, 参照温度+25℃、固态结构、性能可靠、低功耗。激励电流为1.5 mA。

桥式硅压阻器件是一个由四臂电阻应变计构成的惠斯登电桥, 其中, 各臂电阻R在压力作用下, 一组对边电阻变为R +ΔR, 另一组对边电阻变为R -ΔR。而在温度变化作用下, 所有电阻均变化为R +ΔRT。

若采用恒压激励, 则输出为:

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式中E为弹性模量, Pa。可以看出:输出电压V与温度有关, 且为非线性, 所以, 用恒压源供电时, 不能消除温度的影响。

若采用恒流激励, 则输出:

undefined

式中I为恒流源电流, mA。可以看出:输出电压V与温度无关, 这就消除了温度对传感器输出信号的影响。通常直流电桥采用恒压源激励, 考虑桥式硅压阻器件的温度系数较大, 采用恒流源激励可以进一步提高电桥输出精度[1]。桥式硅压阻器件激励电路如图2所示。

在图2中, C1对电源起去耦作用, 减少电容耦合。A1为电压跟随器, 起阻抗变换作用, 输入阻抗较大, D1为稳压管, 其电压为E0, 运放的两个输入端之间的电压为ε0。根据基尔霍夫定律, Ri两端的电压URi=E0-ε0, ε0相对于E0非常小, 假设流过电桥的电流为I0, 由于运放的输入电流非常的小, 因此流过Ri的电流几乎等于I0, 得到I0= (E0-ε0) /Ri≈E0/Ri=1.5 mA[2]。

3 AD623仪表放大器

电阻r为增益调整电阻, 与后续放大模块AD623组成性能较好的放大器。AD623放大器的内部结构如图4所示。AD623是一种在三运放仪表放大器基础上经过改进的仪表放大器以保证单电源或双电源工作, 甚至能工作在共模电压或者低于负电源电压 (或单电源工作时低于接地电位) 。AD623能满足高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声和低漂移的放大器要求。对于任意的增益, 1、8引脚间的增益调节电阻RG可用以下公式计算:undefined。

4 前置电路总体电路图

通过精确选定r阻值以及相关参数, 使得1大气压下AD623显示的电压值为1.013 V。气压与OUT端的电压值呈线性关系。

5 单片机与软件实现

其上为气压计的模拟部分, 数字部分以单片机MSP430F149为核心的数字处理系统。MSP430F149是TI公司2000年底推出的超低功耗flash型的16位RISC高性能单片机, 有60k 的ROM、有8个外通道、4个内通道12位A/D转换器;采样频率可达200 kHz, 在8 kHz时钟时可得到125 ns的指令周期;具有16个快速响应中断, 能及时处理各种紧急事件, 几乎不需要外围器件, 大大节约了成本。故能满足一般实时处理的要求。其特有的超低功耗特性, 尤其适用于野外作业仪器[4]。

6 结语

根据icsensors 1210压力传感器的原理以及如何选择恒流源和数据放大器的同时对气压计的系统电路进行了设计。经过传感器和放大器后的信号通过低功耗、高性能的MSP430F149为核心单片机数字处理系统, 从而显示气压值。

摘要：简述了压力传感器的选择以及恒流源和数据放大器的选择, 重点对气压计的系统电路进行了设计。并对其原理和性能实行了分析, 结果得到好的研究效果。

关键词：大气压力,压力传感器,运算放大器,单片机

参考文献

[1]祝宇虹, 纪军红, 孙宁.桥式硅压阻器件在气压测量中的应用[J].传感器技术, 2005, 24 (5) :74-76.

[2]林琳, 陈金岭.便携式气压计的电路与系统设计[J].成都气象学院学报, 2000, 15 (1) :93-99.

[3]仪表放大器应用工程师指南.第2版.Charles Kitchin和Lew Counts著www.analog.com.

基于欧拉方法的视频微弱信号检测第8篇

人类视觉系统有其空间域敏感性限制,但是很多人类视觉能力之外的信号有很强的信息性。例如,人的皮肤颜色随着血液循环会有轻微的变化。这种变化对于裸眼来说是不可见的,但是却可以用来提取心跳的频率。类似地,空间域的小幅度的动作,对人类来说很难或者几乎不可能看到,但可以放大后用来揭示有趣的力学现象。文章将空间域和实时视频信号处理结合用来放大微小的动作,这些微小的动作可以揭示我们周围世界的重要特性。

1空间—时间信号处理

文章的方法结合了空间域和实时处理来强化视觉中的微小变化,这种变化过程包括空间滤波和时域滤波。

1.1空间滤波

欧拉式动作放大技术(EVM)的第一步是对视频序列进行空间滤波,以得到不同的空间频率的基带。原因如下:

(1)有助于减少噪声。图像在不同空间频率下呈现出不同的SNR(信噪比)。一般来说,空间频率越低,信噪比反而越高。因此,为了防止失真,这些基带应该使用不同的放大倍数。最顶层的图像,即空间频率最低、信噪比最高的图像,可使用最大的放大倍数,下一层的放大倍数依次减小。

(2)便于对图像信号的逼近。空间频率较高的图像(如原视频图像)可能难以用泰勒级数展开来逼近。因为在这种情况下,逼近的结果就会出现混淆,直接放大就会出现明显失真,对于这种情况,文章通过引入一个空间波长下限值来减少失真。如果当前基带的空间波长小于这个下限值, 就减少放大倍数。

由于空间滤波的目的只是简单地将多个相邻的像素“拼”成一块,所以可以使用低通滤波器来进行。为了加快运算速度,还可以顺便进行采样操作,这两种东西的组合就是金字塔。实际上,线性的EVM就是使用拉普拉斯金字塔或高斯金字塔来进行多分辨率分解。

1.2时域滤波

得到了不同空间频率的基带后,接下来对每个基带都进行时域上的带通滤波,目的是提取我们需要的那部分变化信号[1,2,3]。

例如,如果我们要放大的心率信号,那么可以选择0.4~4Hz(24~240次/min)进行带通滤波,这个频段就是人的心率的范围。

2欧拉式动作放大原理

以I (x,t)表示位置x和时间t的图像强度,由于图像服从平移运动,可以将观察到的强度看作变化了δ{t}。即I (x,t)=f(x+δ{t})和I (x,0)= f(x)。动作放大的目的是生成新的信号I (x,t)= f(x+ (1+a)δ{t}),放大因子为a。

假设图像可以用一阶泰勒展开式近似,将f(x+δ{t})相对于x进行一阶泰勒展开,则用B (x,t)表示在位置x对I( x,t)应用带通滤波器的结果,假设动作信号δ{t}在实时带通滤波器的带宽内,现在有,在处理过程中,放大带通信号a倍后,将它加到原来的信号I (x,t),从而形成处理后的信号I'(x,t)=f(x+(1+a)δ{t})。

综合以上式子,得到假设图像函数的一阶泰勒展开式对更大的扰动(1+a)δ{t})成立,可以将带通信号的放大当作动作的放大,处理后的结果简单表示为:I (x,t)≈ f(x+(1+a)δ{t}),图像f(x)在时间t空间的变化 δ{t}被放大了(1+a)倍。由于假设只对小的信号变化成立[4](光流的恒常性),故可放大的信号必须满足式(1+a)δ{t}<λ /8 。

3结果展示

文章选择实时带通滤波器来提取希望放大的信号。就面部血流的颜色变化信号放大而言,较窄的带宽能够减少噪声,得到更好的结果。文章在放大信号的时候,信号所包含的噪声也同时被放大。面部血流检测和手腕处脉搏检测是微小动作的检测,可以通过软件的方法实现。生理信号都有一定的频率范围,通过对视频拼接进行处理, 可以将特定频率范围的信号进行放大,将肉眼不可见的一些生理现象展现在我们眼前。实验效果如图1所示。

实验中采用的滤波器带宽在人类的心跳频率附近,我们选择的是0.4~4Hz,放大倍数为10倍,从视频中我们可以看到明显的变化,而这些变化在输入信号中是很难发现的。我们也可以运用这种方法发现婴儿的明显有节奏的呼吸。这在实践中有很大的用处[5]。

4结束语

基于欧拉方法的视频微弱信号检测是考虑在任意空间位置的颜色值的时间序列,然后在给定的实时频率兴趣带放大变化。例如,在图1中我们选择包含人类心率的频率带,然后放大处理。放大后的变化揭示了当血液流过面部时人脸颜色的变化(即血液流经额头时的红色明显增强)。也可以用来揭示小幅度的运动,比如婴儿的心率、手腕处的脉搏。这种分析是基于与光流中亮度恒常性的假设有关的显性近似,同时也展示了在什么情况下这种假设是有效的。