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：

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：

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

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。