竞赛选题:微弱信号检测装置
参赛学校:南京
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
学院
指导老师:宋宇飞
参赛队员姓名: 贾飞 王邦柱 李娜
参赛队编号:
目录
1、 作品简介
2、 作品实现
3、 电路
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
4、 测试
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
5、 测量结果
6、 作品图片
七、作品展望
八、参考文献
微弱信号检测装置
摘要:微弱信号检测就是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号,其关键在于抑制噪声。恢复、增加和提取有用信号。本文将从处理系统中噪声信号的频谱结构来分析,去除或衰减其噪声频段来改善有用微弱信号检测的精度和灵敏度。
关键词:频谱;微弱信号检测;噪声
Abstract: Weak signal detection is to take advantage of modern electronics study and signal processing method to extract useful signals from noises,the key lies in noise suppression/restoration and useful signal amplification/extraction.This paper will analyze the structure of the spectrum of the noise signal processing system。Removal or attenuation of the noise band to improve the accuracy and sensitivity of the useful weak signal detection.
Keywords: Weak Signal Detection and Extraction;Noise
一、作品简介
1.1设计任务
我们这组选做A题微弱信号检测装置,即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。噪声源采用给定的
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
噪声(wav文件)来产生,通过PC机的音频播放器或MP3播放噪声文件,从音频输出端口获得噪声源,噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。
1.2基本要求
(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≥1 M(。
(3)当输入正弦波信号VS 的频率为1 kHz、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%。
1.3发挥部分
(1)提高正弦波信号的识别能力,当输入正弦波信号VS 的频率在100Hz~10kHz范围内、幅度峰峰值在20mV ~200mV范围内时,检测并显示正弦波信号的幅度值,误差不超过5%。
(2)在发挥部分(1)的条件下,要求检测误差不超过2%。
(3)当输入正弦波信号VS 的频率在100Hz~10kHz范围内时,进一步降低VS 的幅度,检测并显示正弦波信号的幅度值,误差不超过2%。
二、作品实现
2.1赛题分析:
首先研究一下噪声中的频率成分,然后就可以根据分析结果,设计合理的滤波器。
对于基本要求1:VC=VS+VN就是要求有用信号和噪声信号是1:1的要求,不能用提高信噪比的方法投机取巧。还有就是衰减系数两个分压电阻的选择。满足1:99;
对于基本要求2:中的输入阻抗问题,可以在微弱信号输入级采用跟随器,或者用一级同相的预防大来实现
对于题目要求3:采用质量好的运算放大器,选择1%误差的电阻,电路做板子基本可以满足精度要求。
对于发挥部分要求1,设计好参数的滤波器只是针对1KHZ 频点,而要求中是宽带的,经过分析可能需要使用锁相环,来锁相放大。
2.2
设计方案
关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案
论证
2.2.1 加法器模块
【方案一】采用同相加法器
特点:两个加量都从同相端输入
依据:
得知:
令得与的关系式
第二种方法 利用迭加原理求出及
()
当两输入端外电路平衡时,有
当时, 实现两信号相加,且同相。
相比较而言,从反相输入端输入加量的运算简单的多。
【方案二】采用反相加法器
综上所述,由于同相加法器的增益是 1+RF/RG至少为1,不满足VC=VS+VN,
所以应该选用反向加法器。
2.2.2 微弱信号检测电路模块
【方案一】同步累积法,利用信号的重复性, 躁声的随机性, 对信号进行重复累积( 几次) , 使SNIR 提高, 但需耗费时间。
【方案二】双路消噪声,由于信号与躁声性能完全不同, 信号一般为一些变化规律已知的量, 而躁声是一些随机量满足统计规律。根据这个条件我们设计出了一种双路消躁法的原理图, 如图2。当随机性的躁声从两路到达加法器时, 极性正好相反, 经过加法器相加后把躁声消掉。只有少数强躁声才通过阀值电路而产生本底计数, 根据统计规律。本底计数时间较长时为恒定值。故可以先测出它, 然后从总计数中把它减掉得到信号计数。这种方法只能检测到微弱的正弦信号是否存在, 而不能复现信号波形。
【方案三】先对微弱信号进行放大,再对信号进行滤波处理。
本方案,对信号先进行放大后再滤波还是,先滤波后方大是有一定矛盾的。先滤波的话,必然对本来已经很小的信号带来进一步的衰减(哪怕是有源滤波都会对源信号有衰减的)。而如果先放大,由于信号中的噪声信号是有1M带宽的。而如果要增益很高,则放大器的成本将会非常高。而本方案中用了一级预防大。第一级运放的带宽18M。放大了17倍左右。然后加四介带增益的低通基本可以解决这两个矛盾。
而且由于题目要求中的“微弱信号检测电路的输入阻抗Ri≥1 M(”刚好可以通过同相放大来解决(同相放大的输入阻抗理论是无穷大的)
综上所述,由于方案三比较容易实现,且完全符合设计要求因此选用此方案。
2.3理论分析
微弱信号检测原理介绍
首先研究噪声,噪声的频率特性,决定了设计的滤波器的参数。原理就是设计滤波器滤除无用信号,放大有用信号。
(1)低通滤波器: 从0~fn频率之间,幅频特性平直,它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过,而高于f2的频率成分受到极大地衰减。
⑵ 高通滤波器与低通滤波相反,从频率fn~∞,其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过,而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。
本设计中的滤波器均采用通带最大平坦的巴特沃斯型。
2.4 系统框图和软件流程图
2.4.1 系统框图
系统框图
2.4.2 软件流程图
三、电路设计
3.1 电路分析
图1 一般的带增益Sallen-Key低通滤波器
图2 单位增益的两阶Sallen-Key低通滤波器
图3 单位增益的两阶Sallen-Key高通滤波器
3.2 公式推导
图1中电路的传递函数是
对于图2中的单位增益(A0=1)电路,传递函数可以简化为
还可以得到
在指定了C1和C2之后,R1和R2的阻值可计算为
滤波器参数计算:可以根据计算公式然后在EXCEL里面输入公式如
滤波器对参数要求是比较严格的,本设计在滤波器参数选择时是先选择电容,因为电容的选择性比较少,然后找到电容,根据实测值带入公式算出电阻。并且本设计电阻全部是用精度1%的电阻。
3.3 主要电路
3.3.1 电源电路原理图
3.3.2单片机供电
3.3.3加法器
3.3.4分压
3.3.5放大
3.3.6四阶低通
3.3.7二阶高通
3.3.8放大
3.3.9四阶高通
3.3.10 峰值检波
3.3.11 乘法器
3.3.12 锁相环
3.3.13 去耦电容
四、测试方案
4.1 测量方法
由于没有频谱分析仪,为了测试滤波器的频率特性需要用信号发生器产生各个频点不同幅度的波形最后拟合成曲线。
使用信号发生器配合示波器来调试观察实验结果。
4.2 测试仪器
示波器一台、万用表一只,信号发生器一台
五、测量结果
1、一级放大后输入输出
输入(mV)
输出(mV)
66
376
200
2000
2、滤波器幅频特性数据
组数
频率(KHz)
4阶高通4阶低通(V)
2阶低通4阶高通(V)
1
2.2
0.52
0.492
2
2
0.584
0.548
3
1.9
0.640
0.608
4
1.8
0.720
0.676
5
1.7
0.792
0.752
6
1.6
0.888
0.864
7
1.5
1
0.952
8
1.4
1.08
1.04
9
1.3
1.15
1.12
10
1.2
1.19
1.18
11
1.1
1.15
1.18
12
1.0
1.001
1.15
13
0.9
0.8
1.07
14
0.8
0.552
0.928
15
0.7
0.344
0.768
16
0.6
0.192
0.592
17
0.5
0.096
0.44
18
0.4
0.048
0.228
19
0.3
0.032
0.156
20
0.2
0.007
0.07
21
0.1
0.003
0.024
3、四阶低通的特性
组次
输入频率(Hz)
输出电压值(mV)
1
1000
5200
2
1050
3840
3
1100
2800
4
1150
2000
5
1200
1520
6
1250
1160
7
1300
928
8
1350
736
9
1400
592
10
1450
490
11
1500
408
12
1550
344
13
1600
296
14
1650
256
15
1700
232
16
1800
158
17
1900
120
18
2000
94
19
2100
76
20
2200
64
21
2300
54
22
2400
44
23
2500
36
24
2600
34
25
2700
28
26
3000
20
27
4000
5
低通幅频特性曲线
4、二阶高通加一个放大
组次
输入频率(Hz)
输出电压值Vpp(V)
1
1000
8
2
900
8
3
800
8
4
780
8
5
600
8
6
500
8
7
400
8
8
300
7.92
9
200
7.92
10
180
7.64
11
160
7.48
12
150
7.44
13
140
7.32
14
130
7.16
15
120
6.96
16
110
6.72
17
100
6.4
18
90
5.96
19
80
5.32
20
70
4.64
21
60
3.72
22
50
2.8
23
40
1.92
24
30
1.12
25
20
0.48
26
10
0.124
5、无噪声时系统线性特性(f=1000Hz)
组次
输入电压(mV)
输出电压(mV)
1
10
31
2
20
56.4
3
30
83
4
40
109
5
50
135
6
60
160
7
70
188
8
80
212
9
90
242
10
100
268
11
110
292
12
120
320
13
130
352
14
140
376
15
150
408
16
160
432
17
170
456
18
180
480
19
190
512
20
200
536
21
210
560
22
220
584
23
230
612
24
240
656
25
250
688
26
260
720
27
270
744
28
280
776
29
290
800
30
300
824
31
310
856
32
320
888
33
330
904
34
340
944
35
350
968
36
360
996
37
370
1030
38
380
1050
39
390
1080
40
400
1100
41
410
1140
42
420
1160
43
430
1190
44
440
1230
45
450
1260
46
460
1290
47
470
1320
48
480
1350
49
490
1380
50
500
1410
51
520
1460
52
540
1530
53
560
1580
54
580
1640
55
600
1700
56
630
1780
57
660
1880
58
690
1950
59
720
2050
60
750
2150
61
780
2230
62
810
2320
63
840
2420
64
870
2480
65
900
2580
66
950
2740
67
1000
2860
68
1050
3020
69
1100
3160
70
1150
3310
71
1200
3460
72
1250
3600
73
1300
3740
74
1350
3860
75
1400
4040
76
1450
4160
77
1500
4320
78
1550
4440
79
1600
4600
80
1650
4680
81
1700
4880
82
1750
4650
83
1800
5120
84
1850
5240
85
1900
5320
86
1950
5520
87
2000
5560
6、系统幅频特性(无噪声时)
组次
输入频率(Hz)
输出电压值(mV)
1
50
7.4
2
100
5.8
3
150
6
4
200
9
5
250
14
6
300
25
7
350
41
8
400
63.6
9
450
110
10
500
182
11
550
292
12
600
456
13
650
712
14
700
1110
15
750
1640
16
800
2380
17
900
4400
18
950
5320
19
980
5520
20
1000
5460
21
1050
4760
22
1100
3880
23
1150
3040
24
1200
2400
25
1250
1920
26
1300
1520
27
1350
1280
28
1400
1040
29
1450
832
30
1500
712
31
1550
584
32
1600
504
33
1650
440
34
1700
370
35
1750
320
36
1800
280
37
1850
256
38
1900
206
39
1950
180
40
2000
160
41
2050
144
42
2100
128
43
2150
116
44
2200
104
45
2250
96
46
2300
86
47
2350
78
48
2400
72
49
2450
64
50
2500
62
51
2600
52
52
2700
44
53
2800
40
54
2900
34
55
3000
29.6
56
3100
25.6
57
3200
22.8
58
3300
21.2
59
3400
19.2
60
3600
16.4
61
4000
12.4
62
5000
8
63
6000
6.8
系统幅频特性曲线
六、作品图片
检波电路板
主电路电路板bottom
主电路电路板top
乘法器:
锁相环
作品成品展示1
作品成品展示2
作品展示3
7、 作品展望
7.1完成程度
我们已经完成了基本要求,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。微弱信号检测电路的输入阻抗Ri≥1 M(。当输入正弦波信号VS 的频率为1 kHz、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%。
拓展部分中20mv~200mv,在1KHZ时也是基本可以达到要求的。
拓展部分100HZ~10KZ由于滤波器的参数是固定的而噪声是宽带的,并不能使用原来的滤波器去实现。是需要锁相放大的。
原理已经弄通了,混频器也已经实现。但是调试还是存在不少问题的
7.2 存在问题
由于时间问题锁相环的电路已经搭好了但是还没有测试。
7.3作品展望
在接下的时间里我们会继续完成本设计的发挥部分,如锁相环电路部分。随着技术的发展, 应用范围的拓宽, 微弱信号检测的理论在不断更新。方法在不断改进和增多。上面分析的微弱信号检测的方法却是最基本的, 只有掌握了基本理论和基本方法之后才能有创新和发展, 在实际应用中, 往往是把多种方法揉合在一起使用。而且我们还可根据实际应用情况采用它们的不同组合设计出适合需要的微弱信号检测设备。例如: 锁定放大器、取样积分器、光子计数器等微弱信号检测设备都是这些方法的物化。
八、参考文献
1、《运算放大器权威指南》(第3版),Bruce Carter Ron Mancini 主编,姚剑清 译,人民邮电出版社
2、《测控电路》,张国雄主编,机械工业出版社
3、《计算机电子电路技术》,江晓安,陈生谭主编,西安电子科技大学出版社
� EMBED Visio.Drawing.11 ���
22 / 23
_1406111006.vsd
�
有用信号
噪声
加法器
分压
预防大
四阶低通
两阶高通
放大
四介高通
峰值检波
显示
_1406109414.vsd
�
中断
按键按下
校准