强噪声背景下微弱信号检测装置的一种可行性方案的

更新时间:2024-01-21 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:35252 浏览:160034

摘 要:在测量微弱信号被掩盖在强噪声中的信号时,锁相放大器(Lock-in Amplifier,LIA)表现出了良好的性能.但是由于其本生存在中心频率不稳定、带宽不能太窄及对信号缺乏跟踪能力等缺点,造成对测量微弱信号的限制.对锁相放大器进行一些分析的基础上,设计出一个双相位锁相放大器(Dual Phrase Lock-in Amplifier),并用Pspice/OrCAD进行了实验性的论证.结果表明该放大器可以实现微伏(V)级别的信号识别,噪声信号的均方根值约为1mV,幅值识别准确率在0.5%以内.

关 键 词 :Pspice/OrCAD 双相位锁相放大器 微弱信号 信号检测

中图分类号:TN722 文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2013)004-100-02

1.引言

信息时代需要获取信息,许多科学研究和工程技术的信息需要用检测的方法来获取.当被测信号非常微弱时,易被噪声淹没,对它们的检测往往变得十分困难.随着科学技术的发展,对微弱信号进行检测的需要日益迫切,微弱信号检测是发展高新技术,探索及发现新的自然规律的重要手段,对推动相关领域的发展具有重要意义.

微弱信号的检测已经有很多成熟的方法,在时域方面如相关检测、小波分析、取样分析等;在频域方面如频谱分析等.这些方法在某些方面具有一定的局限性,主要表现在门限较低(-10dB左右)、测量精度不高等问题.本文针对以上问题,设计出了一个双相位锁相放大器,方法实用,测量方便.

2.锁相放大原理

2.1 单相位锁相放大器原理

锁相放大器是把被测量信号通过频率变换的方式转变为直流,包括一个乘法器和低通滤波器(LPF).一般来说,需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0Y输入到PSD.上述的锁相放大器,称为单相位锁相放大器,为了能够正常测量振幅和相位,需要有能够调节相位的移相电路.对于参照信号和被测量之间有相位差的电路,将不能准确测量出信号的幅值.

2.2 双相位锁相放大器原理

如果将参照信号相移909用两个PSD,这时就可以不需要移相电路将参照信号和被测信号的相位差消除.通过理论可以证明此时从LPF输出电压的幅值和两路信号的相位差没有关系.

移相之前的参考信号:

移相之后的参考信号:

第一路滤波之前的输出信号:

上式表明,PSD输出分成两个部分,前者为被测量信号与参考信号的差频分量,后者为被测量信号与参考信号的和频分量.当被测量信号和参考信号的频率相等时,即f1等于f2,差频分量为零,这时差频分量变成PSD直流分量,而和频分量变成变频.即由原来以f1为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心的两个频谱,再经过低通滤波器去除了和频分量.

在经过LPF的第一路输出信号为:U10 等于 Rcos ,其中R 等于 , 等于 1- 2;

在经过LPF的第二路输出信号为:U20 等于 Rsin ,其中R 等于 , 等于 1- 2.

再对两路输出信号进行三角函数运算,便可以得到与相位差无关的直流信号:

R 等于 .

将得到的R经过A/D转换,便可以直接读取数据.

3.双相位锁相放大器的设计

被噪声掩盖的信号可以经过一个八阶带通滤波器(滤波器的中心频率即为被测信号的频率),在经过滤波器后再经过放大器可以近似恢复被测量信号的原貌.

下面就是最为关键的一步,即把得到的正交信号分别与滤波放大后的信号相乘,再经过低通滤波器,可以得到两路直流信号,其幅值分别为Rcos 和Rsin .将两路信号做平方和运算再开根号,即可得到与输入信号有效值成正比的直流信号.波形如图1所示.

在经过大约70ms的时间,幅度稳定在一个直流电平上,此时读出该幅值读数即可确定被测量信号的幅值.被噪声掩盖的小信号成功被还原出来.

4.测试结果分析

对相同的噪声中加入不同幅值的1kHz正弦波信号,经多组测量后的结果表示在输入正弦波在10mV以内,相对误差可以控制在1%以内.可以看出,该电路是一种实时性好、精确度高、稳定性好的测量电路.

5.结束语

锁相放大电路在微弱信号检测中有着机器重要的地位,它将被测量的信号从噪声中提取出来,变为直流信号.此思路不论是在工业设计或是通讯系统中,都有应用价值.