CN205427032U - 一种基于锁相环的弱信号检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于锁相环的弱信号检测装置，包括触发整形器、CPLD移相电路、单片机、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、AD电压检测模块以及显示模块，其中，带通滤波器输入端接入待测信号，其输出端连接相敏检波器第一输入端；触发整形器输入端接入与待测信号同频率的参考信号，其输出端与CPLD移相电路输入端连接，CPLD移相电路输出端连接相敏检波器第二输入端；单片机与所述CPLD移相电路通讯连接；相敏检波器输出端与低通滤波器输入端连接，低通滤波器输出端与AD电压检测模块输入端相连，AD电压检测模块输出端与单片机连接，所述单片机输出端连接显示模块，本装置可完成对微伏级的微弱信号幅度的精确检测。

Description

一种基于锁相环的弱信号检测装置

技术领域

本实用新型信号检测领域,具体为一种基于锁相环的弱信号检测装置，可用于检测强噪声背景下特定频率信号的幅值。

背景技术

在信号检测领域，有时需要检测出强噪声背景下特定频率输入信号的幅值。传统的做法是使用滤波器，滤除其他频率的信号，只保留待测频率的信号，然后对其幅值进行检测。在模拟电路中，理想滤波器的选频特性为矩形形状，带宽可以无限窄，只让某一个频率的信号通过。然而实际使用的滤波器滤波性能达不到理想的滤波特性，而且受到干扰的影响较大，很难检测出淹没在强噪声背景中的有用信号，采取新的方法、新的信号检测原理是必要的。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型的目的在于提供一种基于锁相环的弱信号检测装置，该装置可以检测已知频率的弱信号幅度值。本实用新型基于相敏检波技术，并选用高精度低漂移芯片，对于微伏级的输入信号，也可实现准确检测。

一种基于锁相环的弱信号检测装置，包括触发整形器、CPLD移相电路、单片机、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、AD电压检测模块以及显示模块，其中，

带通滤波器输入端接入待测信号，其输出端连接相敏检波器第一输入端；

触发整形器输入端接入与待测信号同频率的参考信号，其输出端与CPLD移相电路输入端连接，CPLD移相电路输出端连接相敏检波器第二输入端；

单片机与所述CPLD移相电路通讯连接；

相敏检波器输出端与低通滤波器输入端连接，低通滤波器输出端与AD电压检测模块输入端相连，所述AD电压检测模块输出端与单片机连接，所述单片机输出端连接显示模块，以显示测试结果。

进一步，还包括电源模块，电源模块分别与触发整形器、CPLD移相电路、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器以及AD电压检测模块连接。

进一步，所述带通滤波器采用OP07作为运放。

进一步，所述触发整形器采用LM339作为核心芯片。

进一步，所述相敏检波器采用CD4053作为开关乘法器。

进一步，所述AD电压检测模块采用ADS1115作为AD芯片。

待测信号经过所述带通滤波器滤波后直接进入所述相敏检波器第一输入端，与此同时，与待测信号同频率的参考信号经所述触发整形器转化为占空比为0.5的同频率方波信号后，再经移相电路模块移相得到方波驱动信号，该信号进入所述相敏检波器后将其转化为直流信号，该直流信号经低通滤波器滤除高频信号后接入AD电压检测模块，AD电压检测模块实时检测该直流信号的输出电压直至该输出电压达到最大，显示模块用于显示输出电压波形及电压值，本系统通过不断改变方波相位，使得输出的直流信号最大，利用最大输出电压与待测信号电压之间的对应关系，获得原始待测弱信号的电压幅值。

因此，本实用新型可以获得以下的有益效果：

1.采用多种低漂移芯片，可完成对微伏级的微弱信号幅度的精确检测。

2.基于锁相环和相敏检波技术，利用和被测信号有相同频率和一定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或者倍频、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。

附图实用新型

图1是本实用新型提出的基于锁相环的弱信号检测装置结构图；

图2是本实用新型的CPLD移相电路原理图；

图3是本实用新型的相敏检波电路模块原理图；

图4是本实用新型的直流检测电路模块原理图；

图5是本实用新型的单片机原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细实用新型。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种基于锁相环的弱信号检测装置，包括触发整形器、CPLD移相电路、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器以及AD电压检测模块。其中移相电路模块和AD电压检测模块受单片机MSP430F169控制，CPLD移相电路可实时改变输出方波的相位参数。

待测信号经过所述带通滤波器滤波后直接进入所述相敏检波器第一输入端，与此同时，与待测信号同频率的参考信号经所述触发整形器转化为占空比为0.5的同频率方波信号后，再经CPLD移相电路移相作为相敏检波器参考信号，该信号进入相敏检波器后转化为误差信号输入低通滤波器，经低通滤波器滤除高频信号的直流信号再接入AD电压检测模块，AD电压检测模块检测该直流信号的输出电压直至该输出电压达到最大，显示模块用于显示输出电压值，本装置通过单片机不断改变方波相位，使得输出的直流信号最大，利用最大输出电压与待测信号电压之间的对应关系，获得原始待测弱信号的电压幅值，CPLD移相电路受MSP430F169单片机控制，可实时改变方波信号的相位。

此外该装置还包括电源模块，用于给装置中的各元器件及各模块供电。

带通滤波器可采用OP07作为运放。该运放具有超低偏移、价格低廉的显著优点，用作信号的前级处理，可减少误差，二阶滤波相较于一阶滤波，滤波效果更为显著，性能更佳。

触发整形器，如图3所示，可采用LM339作为核心芯片，该运放结合外围电路可将输入的参考信号(该信号为一正弦信号)利用过零比较特性，转化为占空比为0.5的同频率方波信号。

CPLD移相电路采用CPLD芯片，利用MSP430F169单片机对其进行控制，可实现高精度的实时方波移相。

如图2所示，单片机与CPLD移相电路通讯连接，移相方式为常见的D触发器延时法。

相敏检波器如图3所示，包括一个反相器和开关乘法器CD4053。

CD4053为数字开关，两路正交的正弦信号由两输入端分别输入，并通过同频率方波驱动开关实现两路输入信号交替选通。待测信号掺入噪声信号后，经过带通滤波电路，滤出一路有一定杂波的正线信号，这路信号经过一次OP07反相器，形成反相信号；原始信号和反相信号就是两路正交的正弦信号。

基于OP07搭建了一个1倍增益的反向放大器，OP07输入端接收经带通滤波器滤波后的待测信号，经其反向后输出一个反向信号(与待测信号相位相差180度)。CD4053芯片的cx端接经带通滤波器滤波后的待测信号，cy端接经OP07反向的反相信号，CD4053的A端、B端接地，C端接来自CPLD移相电路产生的方波驱动信号，三者共同决定开关切换方式。输入的驱动方波信号会不断驱动开关切换，决定是cx端还是cy端的输入信号从输出端c端输出，以实现两路输入信号的交替选通。

假设输入的待测信号为x(t)＝V_scos(ω₀t+θ),同频方波参考信号为r(t)，其中，V_s为待测信号的最大电压值，ω₀为待测信号频率，θ为输入信号初始相位，与待测信号同频率的输入幅度为±V_r的方波r(t)，其角频率为ω₀。由傅立叶变换可得

$r\left(t\right)=\frac{4V_r}{\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{(-1)}^{n+1}}{2n-1}cos\[(2n-1){\mathrm{\ω}}_{0}t\]---\left(1\right)$

经过乘法器后，输出信号为：

$u_p\left(t\right)=x\left(t\right)r\left(t\right)=\frac{2V_s{V}_r}{\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{(-1)}^{n+1}}{2n-1}cos\[(2n-2){\mathrm{\ω}}_{0}t-\mathrm{\θ}\]+\frac{2V_s{V}_r}{\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{(-1)}^{n+1}}{2n-1}cos(2{\mathrm{n\ω}}_{0}t+\mathrm{\θ})---\left(2\right)$

(2)式右边第一项为差频项，第二项为和频项，其中，V_s为待测信号的最大电压值，ω₀为待测信号频率，θ为输入信号初始相位，与待测信号同频率的输入幅度为±V_r的方波r(t)，其角频率为ω₀。经过低通滤波后，n＞1的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩n＝1的差频项为

$u_p\left(t\right)=\frac{2V_s{V}_r}{\mathrm{\π}}cos\mathrm{\θ}---\left(3\right)$

当相位差为0时，输出电压得到最大值

$U_p=\frac{2V_s{V}_r}{\mathrm{\π}}$

由此得到结论：当方波驱动信号与待测信号相位一致时，使得输出直流电压最大，且与待测信号幅值成正比。

锁定放大器把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波，将其转换成直流信号。在通道信号与待测信号同频同相时，输出电压达到最大。此时通过CPLD移相电路不断改变CPLD方波相位，使得通道信号与待测信号的频率与相位均相同，此时输出信号电压达到最大值，通过AD电压检测模块测量输出的最大电压值，并利用对应关系即可得出原始微弱信号的电压幅值。

直流检测模块如图4所示，采用ADS1115作为AD芯片。该芯片是一款16位高精度ADC，支持多通道，测量结果准，测量速度快。ADS1115为ADC模块，与单片机相连，检测电压幅值，待测信号经AIN0脚输入芯片，单片机IO口与芯片SCL、SDA引脚相连，经过I2C协议读出幅度。

低通滤波器如图3所示，采用OP07作为滤波运放，具有精度高，偏移小的特点，所搭建的二阶滤波的滤波效果较好。如果待测信号频率为f₀，那么低通滤波器的截止频率应该在0.5f₀左右。

本装置基于相敏检波技术，设计了基于PLL锁相环原理的弱信号检测装置，可有效检测出混入噪声的已知频率待测信号的幅度，设计采用低漂移、高精度的芯片，使得本产品可用于微伏级的弱信号检测。本装置价格低廉，测量精确，在仪器仪表检测领域具有一定的实用价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于锁相环的弱信号检测装置，其特征在于，包括触发整形器、CPLD移相电路、单片机、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、AD电压检测模块以及显示模块，其中，

带通滤波器输入端接入待测信号，其输出端连接相敏检波器第一输入端；

触发整形器输入端接入与待测信号同频率的参考信号，其输出端与CPLD移相电路输入端连接，CPLD移相电路输出端连接相敏检波器第二输入端；单片机与所述CPLD移相电路通讯连接；相敏检波器输出端与低通滤波器输入端连接，低通滤波器输出端与AD电压检测模块输入端相连，所述AD电压检测模块输出端与单片机连接，所述单片机输出端连接显示模块，以显示测试结果。

2.如权利要求1所述的一种基于锁相环的弱信号检测装置，其特征在于，还包括电源模块，电源模块分别与触发整形器、CPLD移相电路、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器以及AD电压检测模块连接。

3.如权利要求1所述的一种基于锁相环的弱信号检测装置，其特征在于，所述带通滤波器采用OP07作为运放。

4.如权利要求1所述的一种基于锁相环的弱信号检测装置，其特征在于，所述触发整形器采用LM339作为核心芯片。

5.如权利要求1所述的一种基于锁相环的弱信号检测装置，其特征在于，所述相敏检波器采用CD4053作为开关乘法器。

6.如权利要求1所述的一种基于锁相环的弱信号检测装置，其特征在于，所述AD电压检测模块采用ADS1115作为AD芯片。