微弱信号检测装置

该题出自2012年TI杯电子设计竞赛省赛A题

噪声源从PC机的音频口输出,将耳机剪开,取出地线和任一声道信号线即可(每个耳机不一样,我的耳机3.5mm口从尖端到后端依次是左、右、地、麦克风,对应到线分别是绿、蓝、棕、红),将电脑声音开到最大(用迅雷播放器,音量加到1000%;若用Windows Media,噪声的有效值只能达到400mV),噪声的交流有效值为963.6mV;噪声源如下:



超前移相器的范围为0-180,0度可以移到,180移不到;INA128的Rg为3.3K,两级级联,放大倍数为16.15*16.15=260.87倍;LMH6552的Rf和Rg取值一样,但实测增益不为1,为衰减一半,于是我们增大Rf,使得增益接近1;正弦信号源A经过一系列的放大后,相位几乎没有延迟,在G点处的差分两路相位为0度和180度:(黄色为A点,绿色为G点)


最后一级的滤波器原本的截止频率在30Hz附近,但测试发现加入噪声后,噪声是TI提供的wav文件,由MATLAB进行FFT分析,可知噪声频谱图如下:

微弱信号检测装置_第1张图片

在滤波器的通带内存在有噪声,在频域上从0~FS/2直流出现低频抖动现象,于是我们将滤波器里的原来的10+K的电阻换成了1M的电阻,电容为0.68uF,截止频率低至0.2Hz,发现直流抖动现象明显相除,但直流还是会缓缓抬升或下降,这个变化的频率已经很低了,变化不明显,但带来一个问题:滤波器的反应滞后,输入信号变化后,直流的变化略微滞后。

接下来我们来拟合数据,虽然输入到输出可以通过理论公式推导出来,但模拟电路存在许多不确定的因素(如电阻阻值不精确、信号线受干扰、AD采样的误差),且结合之前做过的项目,发现硬件出来的值不符合理论没有关系,只要输入和输出有一定的关系即可,硬件上的不足可以通过软件来弥补,毕竟做一个精确控制的软件比做一个信号清晰精确的硬件来的容易。将探头勾在A点,开启示波器的自动测量,测量峰峰值,该值作为Y;将MSP430中ADC读到的数据显示出来,该数据作为X。将X、Y做一个1次的拟合,也就是线性拟合,得到关系Y = 1.301*(X*1000) + 0.2794:

微弱信号检测装置_第2张图片

从上图可以看到,在幅度较低或幅度较高时,拟合得不是很好,于是我们就分段拟合,分为4段:

Y = 1.3576*(X*1000) - 7.1169

Y = 1.3626*(X*1000) - 8.6624

Y = 1.4521*(X*1000) - 82.2214

Y = 1.7297*(X*1000) - 455.3745

微弱信号检测装置_第3张图片

由于最后一级的低通滤波器的截止频率低至0.2Hz,电压波动得非常慢,滤波采样也必须慢才能达到滤波的效果,这样在软件滤波上很难做到一个比较好的效果,所以我们将截止频率放宽到2Hz,虽然最后出来的波形比较抖,但经过1S的平均后,抖动会大为降低,这样,我们采样时间就可以定为1S左右,刷新时间因此大为缩短。实测发现刷新抖动小于之前。

转载于:https://www.cnblogs.com/season-peng/p/6713548.html

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