摘  要： 采用MSP430作為整個系統的主控制器，設計并制作了一套微弱信號檢測裝置，用于檢測在強噪聲背景下已知頻率的微弱信號的幅度值，并在LCD上顯示該值。最終測試表明，該系統能較好地實現微弱信號的檢測，其抗干擾能力強，測量精度高。
關鍵詞： MSP430；微弱信號；強噪聲；檢測裝置；LCD

　隨著現代科學研究和技術的發展，在教學科研與生產過程中人們越來越需要從復雜、高強度的噪聲中檢測出有用的微弱信號，于是微弱信號檢測這門新興的科學技術從此誕生[1]。當然，在強噪聲背景下對微弱信號的檢測也逐漸成為當前科學研究的熱點，也一直是工程應用領域的難題[2]。微弱信號并不意味著信號幅度小，而是指被噪聲淹沒的信號，“微弱”也僅是相對于噪聲而言的。只有在有效抑制噪聲的條件下有選擇地放大微弱信號的幅度，才能提取出有用信號。
　目前，在強噪聲背景下對微弱信號的檢測早已經成為很多領域中進行現代科學技術研究必不可少的手段，微弱信號檢測技術的應用相當廣泛，在生物醫療、航空航天、光學、電學、材料科學、軍事以及工業生產等相關領域顯得愈發重要。因此，對微弱信號檢測技術的研究探索，研制新型的微弱信號檢測裝置設備是目前微弱信號檢測技術領域的一大熱點。
　微弱信號檢測技術不斷發展，從傳統的頻譜分析、取樣積分和時域平均方法到最近發展起來的小波分析理論、相關檢測、混沌振子等方法，在微弱信號檢測中均有廣泛的應用。傳統的微弱信號檢測技術方法是使用放大和濾波電路對被測信號進行放大和濾波處理，但是有用的信號被放大的同時，噪聲也被放大，信號的信噪比并沒有提高，因而傳統的檢測技術無法實現對微弱信號的檢測[3]。
本裝置采用了以相干檢測技術為基礎的鎖相放大器來實現強噪聲背景下微弱信號的檢測。該裝置在有效抑制噪聲的條件下，提高被檢測信號的輸入信噪比，有選擇地放大微弱信號的幅度，最終提取出有用的“微弱信號”。與傳統設計方法相比，該微弱信號檢測裝置在測量精度、抗干擾能力等方面都得到很大提高。
1 系統的硬件設計與實現
1.1 系統的工作原理及框圖
　系統原理框圖如圖1所示，主要由基于鎖相放大器的微弱信號檢測電路、微處理器MSP430、電源模塊和顯示電路組成。其中，微弱信號檢測電路原理框圖如圖2所示，其主要由前置放大、前置濾波、相敏檢波器AD630、移相網絡以及低通濾波等電路組成。

　本系統首先通過前置放大電路對強噪聲背景下的微弱信號進行預放大，再通過前置濾波器選擇設計所需的通頻帶，然后通過以AD630為核心器件的鎖相放大器，最后通過低通濾波器輸出直流信號檢測出微弱信號，將該直流信號通過MSP430 MCU進行A/D采樣和數據處理后，通過液晶顯示出來。
1.2 微弱信號檢測電路的設計
　在本設計中，微弱信號檢測電路是利用鎖相放大的原理對強噪聲背景下的微弱信號進行相干檢測，能夠實現對信號的窄帶化處理，能有效抑制噪聲，實現對信號的檢測和跟蹤。鎖相放大器是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器，它利用與被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號作為基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻、同相的噪聲分量有響應。因此，鎖相放大器能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比。此外，鎖相放大器有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單，是微弱信號檢測的一種有效方法。
　本設計中，鎖相放大器由信號通道、參考通道和相敏檢波器AD630 3部分組成，其中核心部件是AD630。信號通道由前置放大和前置濾波組成，其作用是對強噪聲背景下的微弱輸入信號進行預放大，再通過前置濾波器選擇設計所需的通頻帶。參考通道的作用是提供一個與微弱輸入信號同頻率、同相位的參考信號。相敏檢波器AD630的作用是使參考信號與輸入信號做模擬乘法運算，利用參考信號與輸入信號的互相關特性，提取出與參考信號同相位、同頻率的輸入信號，從而在強噪聲背景下提取出有用的微弱信號，實現同步相干檢測[4-5]。
1.2.1 前置放大濾波電路
　前置放大濾波電路如圖3所示，為了滿足設計要求，設計了一款巴特沃斯低通濾波器，其截止頻率為2 kHz。通過巴特沃斯低通濾波器的兩級放大使增益達到100倍，每級放大倍數都為10倍。該電路不僅用于對強噪聲背景下的微弱信號進行預放大處理，使其輸入到后級鎖相放大器的信號有個適當的幅度；而且該電路能濾除所需頻帶外的噪聲，降低了噪聲對信號的干擾，提高了輸入信號的信噪比。

1.2.2 移相網絡
　本設計中，所設計的移相網絡原理圖如圖4所示。該移相網絡使用的核心器件是TI公司的運算放大器OPA2227，該移相網絡主要用于對參考信號進行移相。其原理是RC相移，通過跳線選擇不同的接口，調整可變電阻可以實現不同的相移。通過使用一片OPA2227來實現對參考信號進行相移，其中原理圖上方部分可以實現0~90°的相移，下方的模塊可以實現90°~180°相移。但是需要注意一點：必須在該原理圖下方的移相模塊中加入飽和電阻，否則頻率過低時容易出現輸出信號飽和。

1.2.3 相敏檢波器
　相敏檢波器電路以AD630芯片作為核心器件，其電路原理圖如圖5所示。AD630是一款高精度的平衡調制器，具有出色的精度與溫度穩定性，非常低的通道串擾以及較高的共模抑制比和增益調節，同時還可以在外部加入反饋來實現所需增益與開關反饋布局。它可以從100 dB噪聲中恢復信號，頻帶寬度達到2 MHz。AD630內部包含兩路放大器、一路比較器和一路濾波用放大器，用外部電阻和電容配合，就可以實現鎖相放大器的功能。因此，參考信號經過移相網絡后就不再需要設計比較器。其信號處理應用包括：平衡調制與解調、同步檢波、相位檢測、正交檢波、相敏檢測、鎖定放大以及方波乘法等。實際上，鎖相放大器與調制解調有些類似，只不過頻率更低。使用本芯片可以減少相敏檢波器與噪聲方面的許多考慮，大大減小了開發難度，縮短了開發周期。

1.2.4 低通濾波電路
　輸入信號通過相敏檢波器后還需對信號進行最后一步處理，在輸入信號包含的信號分量中，只有與參考信號頻率完全一致的信號才能在相敏檢波器的輸出端得到直流偏量，其他信號在輸出端都是交流信號。如果在相敏檢波器的輸出端加一個低通濾波器，那么所有的交流信號分量將全部被濾掉，剩下的直流分量就只是正比于輸入信號中的特定頻率的信號分量的幅值。同時，低通濾波電路可以對信號的幅度進行改善，調節增益使之與源信號幅度一致。本系統中所設計的低通濾波電路如圖6所示，采用的是TI公司的LF353運算放大器。

3 系統測試及結果分析
　在實驗室環境下，用函數信號發生器來產生一個頻率范圍為500 Hz~2 kHz、幅度峰峰值較小的微弱正弦波信號。噪聲源采用標準噪聲（wav文件）來產生，通過PC的音頻播放器或MP3播放噪聲文件，從音頻輸出端口獲得噪聲源，噪聲幅度通過調節播放器的音量來進行控制。微弱正弦波信號與噪聲源信號經加法器進行疊加，疊加后的信號用來模擬強噪聲背景下已知頻率的微弱信號，將該微弱信號作為微弱信號檢測裝置的輸入信號，對系統進行性能測試，實現對該微弱信號進行檢測。
當微弱信號檢測裝置的輸入信號的頻率f在500 Hz~   2 kHz范圍內、幅度峰峰值在50 mV~2 V范圍內變化時，檢測并顯示微弱信號檢測裝置輸出信號的幅度值Vo，并記錄液晶顯示器的數據。其輸出信號的幅度峰峰值與輸入信號的頻率、幅度的變化關系的數據如表1所示。

　測試結果表明，對不同頻率、不同幅度峰峰值的微弱信號，該微弱信號檢測裝置能精確地進行檢測，將強噪聲背景下已知頻率的微弱信號檢測出來，用液晶顯示器輸出穩定的測量值，且微弱信號的測量值與信號發生器的輸出值大小基本吻合。這說明該系統性能穩定，能夠實現強噪聲背景下已知頻率的微弱信號的檢測，且測量精度較高。
該微弱信號檢測裝置不需要復雜的電路就能有效抑制高強度噪聲信號，提高系統信號的信噪比，并能夠在強噪聲背景下提取有用的微弱信號，較好地實現了對微弱信號的檢測，其抗干擾能力強，測量精度高。
參考文獻
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[2] 夏均忠，劉遠宏，冷永剛，等.微弱信號檢測方法的現狀分析[J].噪聲與振動控制，2011（3）：156-161.
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