基于Launchpad微弱信号检测装置的探究

摘  要： 对于淹没在背景噪声中的微弱信号，由于信号本身的涨落以及背景和放大器噪声的影响，其测量灵敏度受到限制。以TI公司出品的MSP430小开发板Launchpad为处理和控制的核心，设计并制作了微弱信号检测装置，通过信号放大电路、乘法器电路、滤波电路和锁相电路等信号处理，实现了在强噪声（噪声均方根电压值固定为1 V±0.1 V）背景下对待测微弱正弦信号的提取和幅值检测，并通过LCD液晶显示。实际运用表明，该系统具有操作灵活简便、测试较为准确的特点，达到了设计要求。
关键词： Launchpad；微弱信号；强噪声；信号提取；幅值检测

    随着科学技术的发展，电子系统类产品越来越多地渗透到人们的生活当中，而一个电子系统中，往往带有大量的白噪声，这些白噪声的取值恰好符合高斯分布。从噪声掩盖的信号中检测并提取各种微弱信号(如弱光、小位移、微振动、微应变、微温差、低电平电压等)越来越受到人们的重视。微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用的信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比[1]。对微弱信号检测理论的研究、探索新的微弱信号检测方法、研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的研究热点。
1 测试需求分析
    在随机强噪声背景下，已知正弦微弱信号的频率为1 kHz，幅度峰峰值在20 mV~2 V范围，正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替；而随机强噪声用标准噪声文件，噪声均方根电压值固定为1 V±0.1 V。设输入信号为VS，随机噪声为VN，加法器输出为VC=VS+VN，要求加法器输出通过衰减系数不小于100的纯电阻网络后进行检测并给予显示。由于信号幅值比较小，经过100倍的衰减后将变得更加微弱，所以要经过放大，信号和噪声的分离、信号检测关键在于滤波器和放大器的设计。本装置的设计思路是，先将衰减后混合信号经前级放大器放大[1-2]后，再经过5阶巴特沃斯带通滤波器滤波[1]，滤除得到300 Hz~3.4 kHz信号，输入模拟乘法器实现的锁相放大检测信号电路[1，3]，再由集成滤波器MAX297构成的低通滤波器得到小信号，经过AD采样后，通过TI的小开发板Launchpad控制显示。模拟乘法器的参考信号由MSP430F449编程产生，已知信号的频率为1 000 Hz，而本方案中需要产生1 000.2 Hz的参考信号，可通过在单片机内部存放波表，通过I/O口将波表数据输出给D/A器件，实现数/模转换[1，4]。
2 总体设计
    该装置测试系统加法器实现两路信号叠加，模拟产生混叠信号，纯电阻分压衰减的是淹没的正弦信号，最后提取得到的信号与Vs对比。其中带通滤波器为5阶巴特沃斯有源滤波器，用UA741实现，乘法器用MPY634实现。需要一个标准的参考信号，用MSP430单片机产生。对于后级的低通滤波器要求比较高，要求截止频率为0.3 Hz，低通滤波器的输出信号加到ADS1115模/数转换器进行A/D转换，并由Launchpad控制显示。
3 主要硬件模块设计
3.1 加法器设计
    加法器电路[2]采用低噪声运放AD604。AD604是一款超低噪声、精度极高、双通道、线性dB可变增益放大器(VGA)，针对超声应用中基于时间的可变增益控制进行了优化，但同样支持任何要求低噪声、宽带宽、可变增益控制的应用。AD604的每个通道均提供300 k 赘输入电阻和单极性增益控制，使用方便。微弱正弦信号VS与强噪声信号VN分别经一个10 kΩ电阻在AD604的同相端相加，模拟产生混叠信号。
3.2 小信号放大器设计
    由于对微弱信号的获取和幅值测量很难实现，因此需要先对该信号进行放大后再对信号进行相应的处理。
    小信号放大电路[1-2]如图1所示，采用TI出品的一款极低噪音频双运放放大器OPA2134，输出信号带宽为8 MHz，满足系统中对输入信号带宽的要求；输入阻抗为3.3 MHz。小信号放大电路的放大倍数为100～120倍，输入放大电路的微弱正弦信号经放大电路放大后，为后面的检测和测量提供方便。

3.3 锁相环电路设计
    锁相放大电路检测微弱信号的原理是基于信号和噪声在相关特性方面的差别。它起到了一个极窄的带通滤波器的作用(而不是普通滤波器)。本装置中用模拟乘法器实现锁相放大[1，3]。

3.4 低通滤波器的设计
    由于乘法器的输出有两个频率0.2 Hz和2 000.2 Hz，而需要的是0.2 Hz的信号，故采用滤波法。一般的滤波器很难做到这么低的截止频率，选择集成滤波器芯片MAX297[1]。MAX297是一款8阶低通椭圆开关电容滤波器[2]，时钟可调转角频率范围为0.1 Hz～50 kHz，时钟频率比为50:1。现在需要0.3 Hz截止频率的滤波器，于是输入的时钟频率就是15 Hz，由MSP430F449的精确定时器产生。MAX297的电路图如图4所示。

4 测试系统软件设计
    本装置选用TI器件LaunchPad和单片机最小系统板做主控制器件，LaunchPad负责绝大部分控制信号，MSP430F449最小系统板用于存放波表和控制D/A输出频率，并利用其精准的定时器产生15 Hz的方波信号用于MAX297的时钟。LaunchPad负责本系统中的A/D转换检波、数据处理和数据显示[5]。由于ADS1115是串行数据传输，速度比较慢，故放在主函数中一直进行采样，通过配置寄存器使LCD1602等时间地刷新显示。软件流程图如图5所示。

5 实验应用
    用于测试的主要仪器：双踪数字存储示波器，型号为TEKTRONIX TDS1002；直流稳压稳流电源，型号为SG1733-
SB3A；20 MHz函数信号发生器，型号为ROGOL DG1022，输入的正弦信号频率为1 kHz，峰峰值为20 mV~2 V。实验测得的数据如表1所示。

    从实验数据看，误差约4.2%。由于电路焊接和器件的各种误差，对于淹没的小信号的提取效果较好，而且这个误差还可以进一步减小，关键在于产生的1 000.2 Hz参考信号的频率能否稳定以及滤波器的选定。因为滤波器的截止频率很低，所以对滤波器的要求很高。本系统提取小信号的思想也可以扩展到其他领域。实际应用表明，该装置具有测试准确、稳定可靠的特点。
参考文献
[1] 黄根春，周立青，张望先.全国大学生电子设计竞赛教程——基于TI器件的设计方法[M].北京：电子工业出版社，2011.
[2] 董尚斌，苏利，代永红.电子线路（I）[M].北京：清华大学出版社，2008.
[3] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计(第二版)[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2011.
[4] 黄根春，张望先.电子设计教程[M].北京：电子工业出版社，2007.
[5] 沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与运用[M].北京：清华大学出版社，2010.