【基于双相锁相的微弱信号矢量测量装置设计】 长期主义是微弱信号
摘要：把淹没在强背景噪声下的微弱信号，通过新的检测手段，抑制噪声干扰，获得信号的恢复，是信息类工程技术领域的研究热点。本文设计了一种基于双相型锁相放大器的微弱信号测量装置。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值。硬件分为低噪声放大器、带通滤波器、可变增益交流放大器、取样积分器等部分。单片机采用MSP430系列低功耗单片机.,并实现了并数字显示。
关键词：微弱信号 双向锁相 强噪声
中图分类号：TP 文献标识码：A 文章编号：1008-925X(2012)O8-0104-02
1、低噪放大器设计原则
低噪声设计要达到的主要目的是在给定信号源(包括信号源阻抗)的条件下，使在信号工作频率范围内有最小的噪声。
(1)半导体器件及工作点选择，同时还要满足信号源阻抗与放大器的噪声匹配。另外，根仍弗里斯公式，多级放大器的噪声性能虽然卞要内第。级决定，但啪第一级功率增益较小时，第二级晚声也会起别‘定作用．闲此级联电路的设汁也需加以考虑。
(2)从信号源来看，可能仑各种性质，例如，有源电阻(如电阻式传感器、热电偶等)．源阻抗(如电感式传感器、差动变压器等)，还有电抗件源(如光电传感器、压电传感器等)。从被则信号来看，有低频(通常是传感器输出)、高频通信系统。从信号占据带宽来看，有窄带、宽带传号等。这些，均给低噪声电子子设计带来不同的要求及不同的设计方法。
(3)要得到良好的低噪声性能，还必须尽量避免外来的各种干扰。例如，空间的电磁波干扰、电源工频干扰，以及各种用电设备干扰等。这些干扰，有时会造成远比器件内部噪声更大的影响。因此低噪声故大器要同时考虑各种抗干扰措施。
2、锁相放大器及其性能指标
锁相放大器(是一个以相关解调器为核心的微弱信号检测仪器，它能在强噪声情况下检测微弱正弦信号的幅度和相位。
锁定放大器的基本结构框图如图1所示。通道信号包括了低噪前置放大器、带通滤波器、可变增益交流放大器等。前置放大器用于对微弱信号的放大，主要指标是低噪声100～1000倍增益。可变增益交流放大器是信号放大的主要部件，必须有很宽的增益调节范围，以适应不同的输入信号需要。带通滤波器主要对混在信号中的噪声进行滤波，以确保微弱信号的精确测量。
3、系统设计与实现
3.1目的与要求
本系统性能指标如下：
（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%。
3.2 硬件设计
系统框图如图2所示。本系统的控制核心单元为MSP430系列低功耗单片机。输入的电压信号可供ADC模拟输入端能正常进行采样的电压。电压测量模块的功能是将被测的交流电压转换成相应的RMS 值。MC14433模块的功能是实现模拟量到数字量的转换，其转换后的数字量由单片机读取并送到显示模块中显示。
在进行信号检测之前先对微小信号进行了前置放大，该前置放大网络将小信号又放大了100倍，以方便后续电路的测量。微弱信号检测电路采用了一个六阶的带通滤波器，中心频率是1KHZ，以滤掉除正弦信号以外的各种噪声信号。
微弱信号检测电路的前置放大电路如图3所示。
3.3 软件设计
本设计首先做好程序流程图以便于程序代码的书写，程序设计所用语言是C 语言。在编写函数时要注意做到子函数功能的模块化。其函数功能应该内聚性高，耦合小。编程风格力求简炼，程序语句的书写严格按照C 程序语句书写标准。
软件流程如图4所示：
4、系统测试
4.1测试结果
4.2 误差分析
本系统误差主要由模拟电路、AD真有效值转换、双积分ADC 器件等几个方面所带来的误差。AD 真有效值转换，在误差允许的范围内可以将所测交流电压转换成对应的真有效值，但不可避免地受到环境温度的影响，造成转换时可能引起误差；由于环境温度的改变，在测量电压时，会引起模拟器件不为一个定值，导致所测的电压有所偏差，特别是在测小电压时，鳄鱼夹与被测小电压之间的接触会引起测量的较大误差，双积分ADC 器件与前端处理电路同样受到温度、电磁场、工频干扰的影响，会引起数据的不稳定。
参考文献：
[1]李智奇著. MSP430系列低功耗单片机原理与设计[M].西安电子科技大学出版社,2008.
[2]谭浩强著. C 语言程序设计(第三版)[M].清华大学出版社,2005.
[3]胡大可著. MSP430 系列超低功耗16 位单片机原理与应用(第三版)[M].北京航空航天出版社,2006.
[4]李朝青著.单片机原理及接口技术[M].北京航空航天大学出版社,2005.