A題-微弱信號(hào)檢測裝置

1、20122012年年1515省賽區(qū)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)省賽區(qū)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)TITI杯競賽杯競賽試題解析試題解析微弱信號(hào)檢測裝置（微弱信號(hào)檢測裝置（A A題）題） 張國平張國平華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1 微弱信號(hào)檢測技術(shù)v濾波（如：匹配濾波器）濾波（如：匹配濾波器）v相關(guān)檢測（如：鎖相放大器）相關(guān)檢測（如：鎖相放大器）v平均（如：取樣積分器）平均（如：取樣積分器） Lock-in amplifiers（鎖定放大器）（鎖定放大器）用來檢測微弱的交流信號(hào)。利用互相關(guān)原理，用來檢測微弱的交流信號(hào)。利用互相關(guān)原理，使輸入待測的周期信號(hào)與頻率相同的參考信號(hào)在相使輸入待測的周期

2、信號(hào)與頻率相同的參考信號(hào)在相關(guān)器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān)，從而將深埋在噪聲中的周期信關(guān)器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān)，從而將深埋在噪聲中的周期信號(hào)攜帶的信息檢測出來。號(hào)攜帶的信息檢測出來。2 鎖相放大器例如：例如：正弦信號(hào)：正弦信號(hào)：10 nV10KHz，增益為，增益為1000輸入噪聲（噪聲電壓密度）輸入噪聲（噪聲電壓密度） ：5 nV/ Hz 帶寬帶寬輸出正弦信號(hào)輸出正弦信號(hào)輸出噪聲信號(hào)輸出噪聲信號(hào)低噪放大器低噪放大器100kHz低噪放大器低噪放大器+帶通濾波帶通濾波100Hz鎖相放大器鎖相放大器0.01HzmVkHzHznV6 . 11000100/5VHzHznV501000100/5VHzHznV5 . 0100

3、001. 0/5VnV10100010VnV10100010VnV10100010PSD: phase-sensitive detection)cos(21rsrspsdVVV)cos(21)cos(21)sin()sin(rsrsrsrsrsrsrrssrspsdtVVtVVttVVV當(dāng)當(dāng) s = r 時(shí)時(shí):鎖相放大器的工作原理)sin(ssstV)sin(rrrtVLPFVpsdXVVVrsrspsd)cos(211雙通道鎖相放大器PSD2)sin(ssstV)90sin(rrrtVLPFVpsd2YVVVrsrspsd)(sin212rsrsXYVVYXRarctan2122功能框圖功能

4、框圖正弦波正弦波信號(hào)源信號(hào)源微弱信號(hào)微弱信號(hào)檢測電路檢測電路噪聲源噪聲源VS VN VC Vo 純電阻純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分壓網(wǎng)絡(luò)顯示顯示電路電路加法加法器器Vi A B C D E 一、任務(wù)一、任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一套微弱信號(hào)檢測裝置，用以檢測在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率設(shè)計(jì)并制作一套微弱信號(hào)檢測裝置，用以檢測在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號(hào)的幅度值，數(shù)字顯示出該幅度值。為便于測評(píng)比較，統(tǒng)一的微弱正弦波信號(hào)的幅度值，數(shù)字顯示出該幅度值。為便于測評(píng)比較，統(tǒng)一規(guī)定顯示峰值。整個(gè)系統(tǒng)的示意圖如圖規(guī)定顯示峰值。整個(gè)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。正弦波信號(hào)源可以由函數(shù)信所示。正弦波信號(hào)源可以由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來代替。噪

5、聲源采用給定的標(biāo)準(zhǔn)噪聲（號(hào)發(fā)生器來代替。噪聲源采用給定的標(biāo)準(zhǔn)噪聲（wav文件）來產(chǎn)生，通過文件）來產(chǎn)生，通過PC機(jī)的音頻播放器或機(jī)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(diào)節(jié)播放器的音量來進(jìn)行控制。圖中度通過調(diào)節(jié)播放器的音量來進(jìn)行控制。圖中A、B、C、D和和E分別為五個(gè)測分別為五個(gè)測試端點(diǎn)。試端點(diǎn)。3 微弱信號(hào)檢測裝置（A題）正弦波正弦波信號(hào)源信號(hào)源微弱信號(hào)微弱信號(hào)檢測電路檢測電路噪聲源噪聲源VS VN VC Vo 純電阻純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分壓網(wǎng)絡(luò)顯示顯示電路電路加法加法器器Vi A B C D E 1. 基本要求基本要

6、求（1）噪聲源輸出）噪聲源輸出VN的均方根電壓值固定為的均方根電壓值固定為1V 0.1V；加法器的輸出；加法器的輸出VC =VS+VN，帶寬大于，帶寬大于1MHz；純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的衰減系數(shù)不低于；純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的衰減系數(shù)不低于100。（2）微弱信號(hào)檢測電路的輸入阻抗）微弱信號(hào)檢測電路的輸入阻抗 Ri 1 M 。（3）當(dāng)輸入正弦波信號(hào)）當(dāng)輸入正弦波信號(hào)VS 的頻率為的頻率為1 kHz、幅度峰峰值在、幅度峰峰值在200mV 2V范圍內(nèi)時(shí)，檢測并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，要求誤差不超過范圍內(nèi)時(shí)，檢測并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，要求誤差不超過5%。正弦波正弦波信號(hào)源信號(hào)源微弱信號(hào)微弱信號(hào)檢測電路檢測電路噪

7、聲源噪聲源VS VN VC Vo 純電阻純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分壓網(wǎng)絡(luò)顯示顯示電路電路加法加法器器Vi A B C D E 2. 發(fā)揮部分發(fā)揮部分（1）當(dāng)輸入正弦波信號(hào)）當(dāng)輸入正弦波信號(hào)VS 的幅度峰峰值在的幅度峰峰值在20mV 2V范圍內(nèi)時(shí)，范圍內(nèi)時(shí)， 檢檢測并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，要求誤差不超過測并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，要求誤差不超過5%。（2）擴(kuò)展被測信號(hào)）擴(kuò)展被測信號(hào)VS的頻率范圍，當(dāng)信號(hào)的頻率在的頻率范圍，當(dāng)信號(hào)的頻率在500Hz 2kHz范范圍內(nèi)，檢測并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，要求誤差不超過圍內(nèi)，檢測并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，要求誤差不超過5%。（3）進(jìn)一步提高檢測精度，使檢測誤差不超過）進(jìn)一步提高檢測精度，使檢測誤差不超過2%。（4）其它（例如，進(jìn)一步降低）其它（例如，進(jìn)一步降低VS