应用FPGA和MSP430设计的微弱信号检测仪

杨志东 程宇 刘同同 卢雲成

摘 要：本系统是基于锁定放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强干扰信号背景下已知频率的微弱正弦波信号的有效值，核心是锁定放大器的设计。该系统由π型衰减网络、加法器、微弱信号检测电路和显示电路组成。其中加法器和π型衰减网络生成所需微小信号，微弱信号检测电路和显示电路完成微小信号的检测并显示在液晶屏上。本系统是以锁定放大器为核心，将经衰减网络衰减产生的正弦参考信号经过放大整形后，接着通过由FPGA与MSP430组成的数字移相网络产生相位步进的方波去驱动开关乘法器，最后通过低通滤波器输出直流信号，该直流信号通过单片机进行处理并自动显示最终结果。本系统集成度高，能够精确、快速地实现对微弱信号的检测。

关键词：微弱信号；可调增益交流放大器；数字移相网络；ADS1118

Abstract：The system is based on lock-in amplifier of weak signal detection means for detecting a valid value of the given frequency sine wave signal in the strong interference signals background，of which the core is lock-in amplifier design.The system consists of π-type attenuator network， the adder， the weak signal detection circuit and display circuit， while adders and π-type attenuator network to produce the desired small signal， detection circuit and display circuit to complete small signal detection and display the results on the LCD screen. The system is based on lock-in amplifier as the core， through attenuation network sinusoidal reference signal attenuation resulting amplified after shaping， followed by a number from FPGA and MSP430 composition phase shift network produces a square wave phase stepper，which drives switch to the multiplier， and finally the low-pass filter output DC signal， which is then processed by the microcontroller and automatically displays the final result. The system is highly integrated， can accurately and quickly realize the detection of weak signals.

Key words：weak signal；adjustable gain AC amplifier；digital phase shift network；ADS1118

在現代科学研究及工程实践中经常需要对毫微伏级的微弱信号进行测量，由于微弱信号本身的涨落、背景和放大器噪声的影响，测量灵敏度容易受到限制，所以必须在强噪声中对有用的微弱信号进行提取并加以放大。

本系统采用新型锁相检测方法，将模拟和数字处理方法有机结合，以FPGA和单片机MSP430F6638为控制核心，采用相敏检波的方法，主要通过锁定放大器对微弱信号进行处理，极大地减小了噪声干扰，从而大大提高了微弱信号检测的精度。

1 系统总体设计

本系统以FPGA和单片机MSP430F6638为控制核心，包括衰减器、加法器、前置交流放大电路、带通滤波器、同相电路、反相电路、移相器、开关电路和低通滤波器部分；具体实现方框图如图1所示。

待测信号与噪声信号可经由不同的衰减网络衰减得到，其中由同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，送到交流放大电路，之后经带通滤波进行初次滤波，滤除部分噪声信号，最后经过由同相、反相、移相、开关乘法器和低通滤波器构成的相敏检波模块，输出直流信号。

系统电路以锁定放大器为核心，将输入的参考信号经过放大整形和数字移相网络，利用其输出的方波驱动开关乘法器。系统输出直流信号通过ADS1118传送给单片机，经单片机处理后在液晶屏上显示出待测微弱信号的峰值。

2 方案设计

2.1 微信号交流放大

本系统初期采用固定增益的两级放大电路，第一级40倍，第二级50倍，该增益对于28uvpp-2.8mvpp的微小信号具有较好效果。但当加入噪声信号后，2000倍的放大将会导致部分范围信号截止失真从而无法采集真实的信号有效值。

最终系统采用增益可调的两级放大电路。由于信号大小范围不同，所以选取增益分别为2000和200的放大比，并由开关控制反馈电阻的接通从而控制增益，这样在不同范围内的小信号经放大后均不会出现失真，取得了较好的放大效果。

2.2 数字移相网络

全通滤波器模拟移相电路。采用一阶全通滤波器的移相范围接近180度，所以通过设计两级滤波则可使移相范围达到360度。

数字移相网络。数字移相网络通过将整形放大后的方波送入FPGA，检测其信号的上升沿并判断MSP430给出的延时控制字，延时一段时间后输出一个高电平，再延时1KHz方波的半个周期，然后输出一个低电平，直到检测下一个信号的高电平来临。依此循环，输出一个1KHz的方波。通过这种方法，能够将方波占空比精确调整为1：1，并且可精确实现360°连续可调和任意步进相位调节，从而为扫相提供精确的相位可变的方波。

两者相比之下，虽然数字移相法的系统复杂度增加，但却能产生较精准的占空比为1：1的方波，而且可相位连续调节，步进间隔小且能够自动扫相，相比于模拟电路方法实现更加可靠。

2.3 锁定放大器设计

锁定放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成，是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、同相的干扰信号有响应。所以它能大幅度抑制干扰信号，提取出有用信号。由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声能力。它和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。

相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器，本设计采用开关式乘法器CD4053。相敏检波器（PSD）的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波，当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大。其中图2为相敏检波器的基本框图。

3 相关硬件电路设计

3.1 信号混合加法电路模块

加法器采用高精度、低失调精密放大器OPA277，失调电压低至0.025mv，且具有极高的共模抑制比，能够最大程度地抑制前级噪声，减小对后级的影响。并且由于失调电压小，它能很好地解决了因失调电压经高倍放大所带来的截止失真的问题，经理论计算与实际测量可达到vo=vs+vn的信号相加效果，电路简单可靠。

3.2 前级交流放大电路模块

由于信号极其微弱易受噪声影响，本设计選用放大器的增益较高、处理频段较低，运放应选取低噪声、低失调的精密运放，同时应考虑增益带宽积合适。我们采用两级运放实现前级放大。

第一级选取低噪声、高精度运放OPA228，其噪声电压密度为3nV/，带宽为33MHz。由于其为电压反馈型运放，增益增大时频宽变窄，用它来构建小信号的高增益放大器，可以较好地抑制噪声，设置增益为50。同时为避免直流信号对后级影响，输出时进行隔直。

第二级同样选取OPA228，改变反馈电阻的大小从而实现增益分别为4倍和40倍的放大，以满足对于不同大小范围的叠加信号的放大，因为恰当的放大能够很好地提高后级直流检测的精度，放大不当则会出现信号截止失真从而无法获取信号真实大小。

电路均采用同相放大接法，其输入阻抗高的特性有利于小信号的提取，并且有效抑制共模干扰，电路图如上图4。

3.3 带通滤波器模块

将低通滤波器与高通滤波器串联，就可以得到带通滤波器，因为输入信号的频率范围为900Hz～1.1K，所以带通滤波器的通带必须包含这个频率范围，代入参数可得带通滤波器电路为图5。在设计滤波器时，采用了TI专业的滤波器设计软件FilterPro，并将所得电路在TINA中进行仿真及参数修改，以便于实际焊接。

3.4 相敏检波器模块

带通滤波器的输出VOUT1同时经过同相和反相跟随器后，输入到开关乘法器CD4053；然后另一路将参考电源VREF先经过放大整形，接着经过数字移相网络，然后经过方波驱动电路即非门，得到5V电压方波去驱动CD4053，相敏检波后的输出经过低通滤波器即可得到与信号幅值相关的直流信号，从而得到了微弱信号的幅值。具体电路为图6。

4 总结

本系统制作的微弱信号检测仪基本实现了对微弱小信号的准确测量与显示。微弱信号幅度有效值为 10μV～1mV，测量误差小于5%。引入干扰信号测试，当干扰信号与测试信号1：1或10：1时，测量误差仍能稳定在5%以内。本系统中数字移相网络可实现连续或步进移相360度，可手动设置步进间距，且步进间距任意可调，效果良好。通过按键实现测试模式的切换与显示，人机交互界面良好。

其中测量误差主要和直流电源的纹波，系统的稳定性以及AD的精度有关。本系统目的是进行微弱信号的检测，所以本系统最大的影响在于系统噪声的影响。因此系统设计过程中，要综合考虑整体的布局，各个模块之间的影响，以及对各芯片的选择，例如速度、噪声、摆率、供电电压等，针对不同作用选择最佳芯片。在电路焊接时注意布线布局，要做到单点供电。同时要求电源的纹波要尽可能的小，降低对系统性能的影响。尽可能地降低系统的噪声，从而提高测量精度。本工作得到武汉大学设备处开放实验基金项目大力支持，在此表示感谢。

参考文献：

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[5] 陈银根，等.微弱信号检测.数字相关技术的研究[J].江西科学，2004，22（4）：268-271.

[6] 宋改青.锁相放大器的应用及数字化设计[D].太原：山西大学，2006.

基金项目：武汉大学设备处开放实验基金项目（项目号：WHU-2017-610400011）

作者简介：杨志东（1974-），男，湖北武汉人，计算机应用专业硕士，武汉大学本科生院实践教学办副主任，研究方向为大学生实践教学、学科竞赛组织与管理。