周林宇 赵晋楠 汤琴

【摘要】本文基于超低功耗微处理器MSP430F149设计了一套微弱信号检测装置，用于检测强噪声背景下已知频率正弦波信号的幅度值。该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。经测试，该装置可较好满足满足微弱信号检测的精度要求。

【关键词】微弱信号检测;MSP430;强噪声

Abstract：This essay based on TI company's ultra low power consumption microprocessor MSP430F149，designed a set of weak signal detection device，used to detect the known frequency signals under strong background noise amplitude value of the sine wave signal.The system consists of adder，partial pressure of pure resistance network，weak signal detection circuit and display circuit.Through testing the device can good meet the requirements of weak signal detection accuracy.

Keywords：weak signal detection;MSP430;strong noise

微弱信号检测是一门新兴的技术学科，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征，检测出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。微弱信号检测的目标是从强噪声中提取有用信号，任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术，从而将其应用于各个学科领域当中。常规的微弱信号检测方法主要包括时域方法和时频方法[1]。

一、系统方案

總体设计框图如图1所示：

图1 系统总体设计框图

（1）加法电路

为能够将正弦信号与噪声信号混合在一起，并且能够将混合后的信号衰减到很小的程度，采用加法电路和纯电阻分压网络实现这一要求。加法器采用TI公司的OPA2227芯片，该芯片是一款高精度、低噪声的双电源运放，其增益带宽积可达8MHz。电阻分压网络除了纯电阻构成分压电路外，还有10nF的电容能滤除一定的杂波。

图2 加法器和电阻分压网络

（2）前置放大滤波电路

前置滤波电路需要对输入的信号进行100～120倍的放大，以方便后继的检测和测量。因此采用TI公司的一款高开环增益、低失真率的音频高速双运放放大器OPA134，带宽为8MHz，开环增益：120dB，输入阻抗为3.3MΩ，满足系统对输入阻抗的要求。电路如图3所示。

图3 小信号放大电路

（3）移相电路

根据相敏检波器电路的原理，需对输入信号或参考信号进行移相处理，达到参考信号与输入信号同频同相时，相敏检波器输出结果：

此时，则：

取vr=1时，则：

参考信号为方波或正弦波，参考信号为方波时，因方波移相比较复杂，故对输入信号进行移相处理;若参考信号为正弦波，则移相输入信号或参考信号皆可。

方案一：RC 移相网络。此方案电路结构相对简单，但移相的同时会引起幅度较大衰减，需增加增益补偿电路，且参数调节较困难。

方案二：有源全通滤波器，可调移相电路。在图3中当R3=R4时，电路的放大倍数为1，即保持信号幅度不变，相角变化，故此电路可以产生0-180o相移。电路中其他的参数值，可以通过计算得出。如果要产生108o的相移，趋近于∞，即R1趋近于∞。

根据以上分析，虽然方案二电路结构较无源网络复杂，但在移相的同时不会引起幅度衰减，可省去增益补偿电路，故选用方案二，电路如图4所示。

图4 可调移相电路

（4）锁相放大器

因为我们知道输入微弱信号的频率，根据锁相放大器的原理可以知道，它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[2]。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比，实现在这一级电路对噪声进行有效的处理。根据锁相放大器的组成原理，我们选用MPY634作为乘法器。MPY634是一款低功耗、高精度的宽带模拟乘法器，构成电路时不需或只需要很少的外部元件和连线，MPY634具有六路输入：X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2，一路输出：，但Z1、Z2不参与乘法运算，所以将X2、Y2、Z1、Z2接地即可实现X*Y功能。用乘法器构成的相敏检波电路如图5所示：

图5 相敏检波电路

（5）低通滤波器：

要构成完整的锁相放大器需要在相敏检波电路之后加一级低通滤波器，通过低通滤波器的信号的交流部分全部被滤掉，剩下的就是正比于输入信号的中特定频率的信号分量，有利于后续的模数转换。

方案一：RLC无源滤波器具有电路简单、抗干扰性强、较好的低频性能等优点，但其参数计算较为困难，但谐波滤除率一般只有80%，对基波的无功补偿也是一定的，这两点上与有源滤波相比有一定差距。

方案二：有源滤波电路是指使用放大器实现滤波功能[3]。此处设计的低通滤波器需要得到直流分量，滤除一切谐波量和杂波，因此该低通滤波器的截止频率较低。又因相敏检波器输出信号量中的直流量正比于微弱信号的幅值，因此该低通滤波器还设计了可调增益的功能。使用OPA227高精度、低噪声运算放大器能很好的设计该滤波器。

分析知，方案二：低通滤波器的电路简单，受干扰小，同时还可以调节增益。因此选择方案二，如图6所示。

图6 低通滤波器

二、系统软件设计

本系统采用MSP430F169内部12位SAR型ADC进行数据采集。ADC12是MSP430单片机的片上模数转换器，其转换位数为12比特，该模块内部是一个SAR型的AD内核，可以在片内产生参考电压，并且具有数据传输控制器。数据传输控制器能够在CPU不参与的情况下，完成AD数据向内存任意位置的传输。ADC12的核将模拟量转换成12位数字量并储存在ADC12MEM寄存器里。这个核使用VR+和VR-来决定转换模拟值的高低门限。当输入电压超过VR+时它会停在 0FFFH 上，当输入门限低于 VR-时它会停在0上。采样值的计算公式为：

将采集到的数据进行处理之后，送往1602液晶进行显示。程序流程如图7所示。

圖7 程序流程图

三、测试结果分析

（1）测试仪器

RIGOL DG4072函数信号发生器、RIGOL 1052E双踪示波器、VICTOR VC97 数字万用表

同频率不同幅度的正弦波的测量精度：使函数信号发生器输出频率固定为1KHz，幅度为200mV到2V之间，观察1602显示数据并记录。测试结果如表1所示：

表1 同频率不同幅度输入信号测试结果

不同频率不同幅值的输入信号：是函数信号发生器的频率在500Hz到2KHz之间变动，幅度在200mV到2V之间变动，观察1602显示数据并记录。测试结果如表2所示：

表2 不同频率不同幅度输入信号测试结果

（2）测试结果分析

从测试结果来看，这个装置可以测试不同频率不同幅值的不同信号，而且误差值都小于3%。但是这个结果还是有一定的误差，因此还可以通过一些改变来提高精度：采用更高精度的外部AD转换芯片、完善布局布线来减少干扰等。

参考文献

[1]谢秋莲，梁帅.浅谈微弱信号检测技术[J].无线互联科技，2011（5）：23.

[2]龙兴波，黄敏，樊昌元.基于MSP430的微弱信号检测装置[J].微型机与应用，2014，33（3）：18-20.

[3]康华光.电子技术基础模拟部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.