高精度微弱信号检测装置

摘 要

微弱信号检测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、提取有用信号。本文介绍的是一种利用锁相放大原理，检测出淹没在强噪声下的微弱信号的装置。实验结果表明该装置可以实现对不同频率信号的识别和检测，具有很高的精度。

【关键词】微弱信号检测 锁相放大 高精度

1 引言

微弱信号检测（ Weak Signal Detection） 是一门新兴的技术学科，应用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、力学、地质、环保、医学、激光、材料等领域。其仪器已成为现代科学研究中不可缺少的设备。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，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，检测被噪声淹没的微弱有用信号。

2 原理分析

在检测中对噪声的处理是非常重要的，对于微弱信号检测来说，如能有效克服噪声，就可以提高信号检测的灵敏度。下面主要介绍锁相放大法。

锁相放大法的核心部分是相敏检波器（phase sensitive detector，简称PSD），实际上它是一个乘法器。加在输入端的信号经滤波器后加到PSD的一个输入端。在PSD的参考输入端加一个与被测信号频率相同的正弦波（或方波）信号。

在正常工作情况下，参考信号的基波频率与被测信号的频率是相等的。这时PSD的输出信号中含有直流成分，经低通滤波器后，PSD输出信号中的交流成分被滤去，只有直流成分的输出，大小与输入信号和参考信号的相位差有关。

基于由DDS产生的正弦参考信号与被测信号间的相位差未知，我们决定增加移相电路，将参考信号分解为同相和正交分量，分别与被测信号相乘。

假设他们之间相位差为φ。正交分量与被测信号相乘后，经过低通滤波，得到直流分量。与同相分量和被测信号相乘的结果平方再相加开方后，即可得到与被测信号的幅值成正比的直流分量。

双路锁相放大法的优点非常明显，输出信号与相位差无关，可以得到稳定的直流分量，测量精度可以很高。基于此，本文所介绍的微弱信号检测装置采用这种方法来实现。

3 总体设计方案

本文采用锁相放大法，把待检测的信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。即使有用的信号被淹没在噪声信号里面，但是只要知道有用信号的频率值，就能准确地测量出这个信号的幅值，且其输出为正比于输入波形幅值的直流信号。

前置放大器模块采用INA118芯片，它具有精度高、功耗低和共模抑制比高等优点，适合对各种微小信号进行放大。锁相放大模块采用专用相敏检波芯片AD630，后接低通滤波器来实现滤波，经ADS8505模块采样，最后用液晶显示测量数据。

4 主要部分电路实现

4.1 参考信号通道电路

该模块的主要功能是将不同频率的参考信号移相90°。如果采用简单的RC串联移相电路，由于相移θ= tan-1ωRC，针对不同频率的信号，R、C参数将需要不停变化，对于调节工作来说十分不便。因而本文采用微分电路来实现移相特性。

其输出Vo为：

。

选用一般单运放芯片OPA227即可实现功能，由于输入信号频率范围较大，单一的RC取值不能很好满足要求，因此对于大于1kHz的信号取R=1K，C=0.1uF，小于等于1kHz的信号，取R=1k，C=1uF，通过开关控制来实现RC取值的切换。

4.2 相敏检波器电路

相敏检波电路部分使用两片AD630芯片，一个芯片的输入端接入同相参考信号，另一个芯片的输入端接入正交参考信号。两片的输出端各接一个低通滤波器，最终产生所需的直流分量。具体的相敏检波电路如图1所示。

5 测试方案与测试结果

5.1 测试方法

（1）参考信号和被测信号由数字信号发生器F120产生，噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过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。

（2）将产生的参考信号输入参考信号通道，被测信号和噪声输入系统的输入端。

（3）改变被测信号的幅度，观察测量值。

（4）同时改变参考信号和被测信号的频率值，观察测量值。

5.2 测试结果

经过测试，该检测装置可以识别的正弦波信号频率范围为100Hz～1MHz。可以被识别的最小信号幅度可以达到20mV。此时，动态储备（Dynamic Reserve）可以达到37dB（噪声源输出的均方根电压值为1V±0.1V）。这里，动态储备定义为最大“可容忍”的噪声相对于满摆幅信号（测量精度小于3%）的比值。

6 结论

本文提出的微弱信号检测装置采用双路锁相放大法来提高微弱信号的输出信噪比，适用于较大噪声背景下的弱信号检测，计算量小，检测快速。本方法的创新点在于利用移相网络和双路锁相增益放大，以AD630芯片为核心，有效地解决了被测信号与参考信号间的频率差和相位差，达到了较为良好的精度。

参考文献

[1] 刘京南编著.电子电路基础（第2版）[M]. 北京：电子工业出版社，2003.

[2]曾庆勇.微弱信号检测（第二版）[M].杭州：浙江大学出版社.

[3] 陈佳圭.微弱信号检测[M].北京：中央广播电视大学出版社，1987.

[4] 秦积荣.光电检测原理及应用（上册）[M].北京：国防工业出版社，1985.

作者简介

陈章余（1981-），男，硕士学位。南京工程高等职业学校电子工程系副主任，讲师。研究方向为嵌入式系统、电工电子。

作者单位

南京工程高等职业学校电子工程系 江苏省南京市 211135