2012年江苏省电子设计大赛A题微弱信号检测装置设计报告

2012年江苏省TI杯模拟电路设计竞赛论文

参赛学校： 三 江 学 院

参赛题目：

作 者：

指导教师：

微弱信号检测装置 李亮 王尧 王慧 徐 伦 龚秋英

2012年8月

摘要

本作品使用TI公司的OPA134运算放大器、INA2134PA音频差动放大器、OPA2228、IF353等芯片为主要控制器，辅以电源、MPS430系列单片机、LCD显示等电路，实现了设计并制作出一套微弱信号检测装置。其中锁相放大器（lock－in. Amplifier 简称LIA）在此作品中就是检测淹没在噪声中的微弱信号，它可用于测量交流信号的幅度和相位，有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度，可测量毫微伏量级的微弱信号。首先通过把噪声源放大，使之输出的均方根电压值满足要求；然后使用加法器将函数发生器产生的有用信号与放大之后的噪声源叠加成为一个信号。之后通过纯电阻网络进行衰减，再通过锁相环放大电路进行检波滤波，最后通过单片机AD采集相敏检波得到的直流信号电压通过滤波算法从而得到准确的幅值信息并在12864上显示出。

关键词： 微弱信号 峰值检波 锁相放大 MPS430

目录

一、系统整体方案设计 ................................................................................................................... 1

1、赛题分析 ............................................................................................................................. 1 2、系统结构 ............................................................................................................................. 1 3、实现方法 ............................................................................................................................. 1 4、方案选择 ............................................................................................................................. 2 二、理论分析与计算 ....................................................................................................................... 3

1、理论分析 ............................................................................................................................. 3

基础部分 ........................................................................................................................... 3 2、关键电路分析 ..................................................................................................................... 3

1）有源带通滤波电路 ..................................................................................................... 3 2)锁相放大电路 ............................................................................................................... 4

三、电路设计 ................................................................................................................................... 6

1、电路机理 ............................................................................................................................. 6

1）噪声放大模块 ............................................................................................................. 6 2）加法器模块 ................................................................................................................. 6 3）纯电阻分压模块 ......................................................................................................... 7 4）低通滤波模块 ............................................................................................................. 7 5）跟随器模块 ................................................................................................................. 8 2、各部分电路实现的功能 ..................................................................................................... 8

1）OPA134音频放大 ...................................................................................................... 8 2）INA2134PA加法器 .................................................................................................... 8 3）OPA134跟随器 .......................................................................................................... 8 4）纯电阻分压网络 ......................................................................................................... 9 5）带通滤波电路与锁相放大电路 ................................................................................. 9 6）微弱信号检测电路 ..................................................................................................... 9

四、程序设计 ................................................................................................................................... 9

1、软件功能结构 ..................................................................................................................... 9 2、主模块实现流程 ................................................................................................................. 9 五、测试方案与测试结果 ............................................................................................................... 9

1、测试仪器 ............................................................................................................................. 9 2、测试方案 ........................................................................................................................... 10 3、测试结果与分析 ............................................................................................................... 10 六、设计总结 ................................................................................................................................. 11

1、存在的问题 ....................................................................................................................... 11 2、设想展望 ........................................................................................................................... 11 七、参考文献 ................................................................................................................................. 12 八、附件......................................................................................................................................... 12

一、系统整体方案设计

1、赛题分析

本作品的任务是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即峰值。正弦波信号源是由函数发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过MP3的播放器播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声的幅度通过调节播放器的音量来进行控制。

2、系统结构

本作品以TI公司生产各种芯片为主要控制部件，设计并制作一套微弱信号检测装置。系统包含以下几个部分：MSP430单片机最小系统、放大器、加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路以及增强后继驱动能力的跟随器。通过单片机对微弱信号的处理在LCD12864上显示出信号的峰值。 系统整体方框图，如图1所示：

正弦波信号源 加法器 纯电阻 分压网络 微弱信号 检测电路 显示电路 噪声源

图1 系统方框图

3、实现方法

首先通过把噪声源放大，使之输出的均方根电压值固定为1V?0.1V；然后使用加法器将函数发生器产生的有用信号与放大之后的噪声源叠加成为一个叠

1