全国大学生电子设计大赛比赛论文(获奖论文)

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：本文介绍了利用锁相放大的方法进行微弱信号检测的电路设计方案。本设
计以带通滤波电路、移相电路、相敏检波电路、低通滤波电路实现锁相放大的功
4 G& o. X& Y3 @% b能；加法器和电阻分压网络为辅助电路； MSP430G2553单片机实现信号输出和
/ Y% U  J8 P4 B  e( E0 m3 H显示功能。
5 J2 \6 H+ Z* T+ y3 @系统主要由五个模块组成：信号发生模块、加法器模块、纯电阻分压网络、
锁相环路模块和显示模块。首先将正弦波信号源产生的有用信号和噪声源（ MP3
输出）产生的噪声信号通入加法器TL081 中叠加。将其输出的混合信号通入电阻
分压网络实现衰减。其次将信号通入高通滤波器和低通滤波器合成的带通滤波
器，对信号进行功率放大， 并滤除带外噪声。将输出信号和同频同相的参考信号
5 l* v& L* ^7 |+ U3 \* g) W8 F（产生的振荡信号确定频率后通入移相器得到） 同时接入相敏检波器进行整流后
3 u2 n3 F, M$ v! f8 ?" W加低通滤波器进行信号幅度值的提取。最后将信号的幅值通入单片机进行信号的
+ t8 a. F7 L2 B恢复，完成微弱信号提取。最终实现微弱信号的检测装置的设计和调试。
1 方案论证与选择
本设计要求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
7 b! p% T7 p! ~5 L0 q/ ~字显示出该幅度值。根据题意需要制作加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测
电路、显示电路这个部分。
* r6 a: a. O5 z. A. s' R现将各部分分别进行比较论证。
1.1 采样方法比较与选择
1．1.1 加法器方案比较
方案一：采用NE5532，是一种双电源运放集成。优点是放大倍数可以通过
+ h3 q( ]8 l( E; x$ y; L3 W+ B更改负反馈电阻值来实现。但是缺点是它自身没有集成高低音调节功能，且输
出的带宽不能满足要求，因此没采用此方案。
3 K# V3 r) q' b- G方案二：简单的运算放大器TL084CN，正弦波信号和1KHz 的噪声信号通过
3 \+ }( B& {8 Y7 BTL084加法器得到一个混合的信号，该芯片满足输出电压值VC =VS+VN且有效带宽
大于1MHz，同时电路设计简单，性能比较好，能实现各部分功能，经过试验经
4 i1 w8 z& r3 e. l验得到该芯片达到的性能指标较好，所以选择此方案。
5 x$ t) [9 U5 V9 ^# I8 V* [* j1.1.2 纯电阻分压网络
6 Z8 j* U; O5 N5 Z为了满足题目的基本要求纯电阻分压网络的衰减系数不低于100，所以我们
# _, V6 M; S" F; P* r  c采用纯电阻分压原理，利用99:1 的比例电阻构成输出电压是原来的百分之一的
衰减电路。通过该电路可使衰减达到40db。
1.1.3 微弱信号检测电路
微弱信号检测电路是整个设计的重点。分为带通滤波、相敏检波器( 相乘器)
和低通滤波构成。
: u% d# J) y; C2 q) f（1）带通滤波方案分析：带通滤波器是一个只有在特定频段的频率传递信
号衰减这一频段以外的所有信号的同时， 其目的是提高增益、放大微弱信号。提
9 C4 j6 f4 B! ~6 a, M取出在1KHz范围内的正弦波信号和噪声信号的混合波，得到有效部分。
0 x8 Y9 i3 O2 p$ ?" A) I" `方案一：用MAX267设计自适应带通滤波器， MAX267只有一种工作模式，在
" j4 d! _5 ?3 \9 \# G8 M/ t这种模式下， 带通滤波器的中心频率只与外部输入设置有关， 容易控制， 但是由
' _; X' c: ^2 B8 k% m于所要提取的基波信息与其谐波分量的频率相隔较远， 工作的频率范围内存在干
扰信号，且带通滤波器的输出频率低于其中心频率，所以不建议采用此方案.
方案二：此方案采用OP77芯片，单位增益稳定，性能良好，输出级能驱动
负载能力，同时能良好的在1KHz范围内得到有用的混合波， 达到正弦波信号Vc 的
, z( w: d8 n$ u+ a频率为1 kHz、幅度峰峰值在200mV ~ 2V范围内因此选择使用OP77。
6 V% Y2 `6 x9 Q（2）移相电路：
方案一： TL062CD是低功率输入运算放大器，它具有高输入阻抗，低的输入
偏置电流和低输入失调电流。先进的设计，但是在相位偏移上有局限，只能在
0-90 度之间调制，即此方案不被采用。
方案二： FL353P这个芯片是一种低成本，高速，具有极低的输入失调电压
JFET输入运算放大器。它需要低供应电流的维持一个大的增益带宽积和快速压
! z; Q6 _1 i. j; p  ^" j摆率。此外，相匹配的高电压JFET的输入提供了非常低的的输入偏置和偏置电
- t4 G& [+ _4 _, }* J4 g2 ^9 `" [流，且没有工作温度和存储温度的影响， 电路性能好， 设计简单， 因此采用此方
7 h, @$ q* n/ Q  X( P案。
$ ?8 t7 ?. R: H8 A' b; @) g0 Z（3）相敏检波器: 相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量
/ U9 ]; q. Q+ E' k# i4 @+ z; n变化的方向， 同时相敏检波电路还具有选频的能力， 从而提高测控系统的抗干扰
能力。从电路结构上看， 相敏检波电路的主要特点是， 除了所需解调的调幅信号
& M; j# X& c6 Y' W" P外，还要输入一个参考信号, 有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和
5 `0 J+ n: |* Z: l8 x# D频率。模拟乘法器应用电路较简单， 对输入信号无特殊要求， 其缺点是模拟乘法
器为非通用电路，因此价格偏高，且应用时电路调试也比较麻烦。LF353P芯片
2 f* h1 W! \" J; @4 r/ F为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力。
0 S/ [' B5 ]% j8 Z9 u（4）低通滤波： 滤波器的作用是滤除合成的交直流信号， 得到近直流分量。
方案一：无源LC低通滤波器电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性
9 y5 P* |) l/ K1 H' f" N8 X高，但是通带内的信号有能量损失，且幅度有所衰减。不建议采用
3 U, }. {. @" w' i9 S6 I方案二： LF353P滤波器性能良好，且波形输出无失真，所以采用此套方案。
) N& t( [2 }" Q$ n6 u# K/ C1.1.4 单片机模块的选择
方案一： 89C51 单片机本身的电源电压是5v，有两种低功耗方式：待机方
; h3 x1 \6 A' e" e% L式和掉电方式。在掉电状态下，其耗电电流为3mA，在掉电方式下提供约50mA
: c" {* ^7 q( W# O的电流。其次， 80C51单片机是8 位单片机，速度较慢，且不能在线编程。不建
议采用方案。
" ^2 ~+ p6 _* R/ ~1 X" ~2 {方案二： MSP430G 2553 单片机功能齐全，功耗小。能显示数据且能完成补
+ [6 b' H: }, W4 e偿，在电压峰值超过时有蜂鸣器进行报警。所以选择MSP430G2553最小集成开发
  L/ }5 \$ o9 s  y- H板。
" b+ B8 \  n& v; z& \. T2 U
6 x5 X6 ~9 F  Y' I0 l+ F

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