论文总字数：17853字

目 录

1 绪 论 1

1.1 选题意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3 课题的研究目的及来源 2

1.4 论文的主要工作 2

2 微弱信号检测基本理论与系统方案 3

2.1 微弱信号检测基本理论 3

2.1.1 噪声分类 3

2.1.2常规小信号检测法 3

2.2方案论证与比较 3

2.2.1 纯电阻分压网络 3

2.2.2 整形移相网络 3

2.2.3总体方案论述 4

2.3理论分析与计算 4

2.3.1 锁定放大器原理 4

2.3.2相敏检波器分析 4

2.3.3 移相网络 6

3 系统硬件与软件设计 7

3.1 系统硬件设计 7

3.1.1纯电阻分压网络 7

3.1.2加法器和交流放大电路模块 7

3.1.3带通滤波器 8

3.1.4相敏检波器 9

3.1.5低通滤波器 13

3.1.6直流放大器 13

3.1.7陷波器部分 13

3.1.8 AD转换电路 13

3.1.9 矩阵键盘的工作原理 14

3.1.10硬件电路连接注意事项 15

3.2 系统软件设计 15

3.2.1MSP430开发环境 15

3.2.2程序功能描述与设计思路 16

3.2.3程序流程图 16

3.3 本章小结 17

4 测试方案与测试结果 18

4.1 加法器和交流放大电路模块 18

4.2带通滤波器部分 18

4.3方波步进移相部分 18

4.4微弱信号检测部分 19

4.4测试结果及分析 21

5 总 结 22

5.1 结论 22

5.2展望 22

基于锁定放大器的微弱信号检测装置

张存德

, China

Abstract : In this paper, we study the weak signal detection using the lock-in amplifier, which is used to detect the useful signal in the strong noise background (the amplitude of the known frequency sine wave). This device mainly consists of four parts, including the input channel, reference signal channel, Xiang Min detection and display circuit. Reference signal after after shaping and phase shift circuit trigger to generate a square wave, square wave and the measured signal common input multiplier, in phase sensitive detector (multiplier) complete detection, phase sensitive detector is the core. Finally, the multiplier output after a low pass filter output DC signal, and then the DC signal input microcontroller and LCD display. In the final test, we can get the device very good to complete the detection of weak signal.

Key word: Lock in 、strong noise 、reference channel 、phase sensitive detection

1 绪 论

1.1 选题意义

当今是信息化时代，我们需要获取大量信息，许多实践过程和科研工作需要检测获得。但有些有用信号及其弱小，容易被干扰信号淹没，采取难度非常大。微弱信号检查与获取就是用近现代微电子学及信号学的方法获取对我们有用信息的一门新科学。获取微弱信息在很多领域越来越有宽广的运用和巨大作用，其中包括物理、医术、天文学、化学等。微弱信号检测装置检测的是常规方法检测不了的信号，包括微弱细小的光、小电量、微弱振动、温差的细微变化等。

所以，微弱信号检查与获取技术有着巨大的探索意义和科研动力。比方，当今各国经济迈向全球化，机械设备也更加向着自动化、大型化的方向发展，它的组成也更加复杂，装置之间的联系也更加密切，相互之间关联错综复杂，所以对问题的早期发现提出了巨大的考验。问题发现比较早，企业单位损伤就比较小；反之，故障发现晚，容易造成大规模瘫痪，企业损失将会难以想象。所以，我们所研究的微弱信号检测就具有了重大意义，可以用于早期发现机械故障，给企业给国家带来巨大收益，减少事故与成本，保障安全生产。由于故障振动的复杂性，噪声的巨大性和各系统之间的耦合性，使得在实际过程中识别检测微弱信号还是有很大的难度的。是以，灵敏发达的微弱信号检查采取技术对于提升加强识别故障的精确性和时效性有非常重要关键的作用。

1.2国内外研究现状

微弱信号检测技术最先起源于欧美国家，其中包括状态检测和故障诊断，最早于20世纪60年代出现，于七八十年代迅速发展，九十年代初有成就。它既是一个新生儿，又是一门正在不断完善与发展的科学，它横跨科目很广，涉及物理、电子技术、信息科学、数学、人工智能、医疗等多个领域。其中最核心的就是在强干扰信息中检测出既弱小又有用信号，用于故障预报与解析、检测系统的完善性。它的重心是在研究问题侦察与预测的理论路子及实践技术。

英国学者在20世纪60年代开始分析着手故障诊断的科研工作，以克拉克特为首的英国机械维护中心开展问题分析与问题诊疗方面的工作取得成效。欧洲的其他国家在微弱信号检测上也有不同程度的起步与发展，开始意识到微弱信号检测的重要性和作用，为以后的这一技术的飞速发展打下了牢固的基础。经多年探索与实战，科研工作者提出来和形成了一些有用的技术与方式，其中包括锁定放大、取样积分、自适应噪声、相关检测等。微弱信号检查与采取技术仍在不断发展与进步之中，新的科研成果也在不停涌现。

我国问题分析与微弱信号检测起步较晚，1979年才开始检测技术，于1986年成立中国振荡工程学会机器问题分析分会，推进了机器检查技术的进步，具有重要意义。总的来说，经历这些年的科研探索，微弱信号检测已运用于人造卫星、航天飞机、化工石油等领域。

1.3 课题的研究目的及来源

微弱信号检查及采取的第一任务就是提升信噪比，我们必须使用微电子学、信号论、科学计算机和物理学等各种方式，以让我们在干扰信号中获取检测有利用价值的弱小信息，以来迎合当今科研工作与社会实践及科研扩展的需求。微弱信息检查与采取异同于寻常的信息查询检索，它更在意怎样压制抑止干扰信号及怎样获取有效信息，即怎样提升信噪比；是以，可以说，弱小信息检索是一门专用于抑制干扰信号的技巧。

一般的信号检测就是将微弱信号转换成微电流，然后把信号进行放大，通过放大后的信号幅度可得被测量的大小。但如果信号过于微弱（微弱信号），而传感器和放大电路都有噪声，还有额外的外部噪声，必然会影响信号检测，只靠单纯的放大肯定不能检测出有用的信号。只有在很好地遏制了干扰信号的情况下，方能提取有用的信息完成检索。为了获得这样的效果，务必要探索微弱信号检索的方案、科学、设施。

例如，在机械设备的故障检测与分析中，就要用到微弱信号检测技术，如何从采集信号中提取有用信息，对于设备评估与维护起到了关键的作用和至关重要的意义。尤其在机械设备早期故障诊断与信号检测领域，特征信号很微弱，如何采用合理的方法对微弱信号进行识别成为了研究重点。

目前，弱小信息的检索与采取以及理论、方式已经成为很多领域不能缺少的一部分了，而明天科技与工业的进步将对此技能提出越来越高的需求。因此，本文重点希望运用精确的信息检索方式，提升获取信息的信噪比及信息质量，深究出背后的细微特征讯息。

1.4 论文的主要工作

弱小信息检索与采取技术仍在不断发展，现在的成熟的方式与方案包括了锁定放大、取样积分、相关检测、自适应噪声抵消等。本论文对弱小信息检索与采取的技术、问题分析诊断等层次的全世界现状做了细致的描叙。基于此，设计制作一个用来检索和获取弱小信息的锁定放大器，深入理解弱小信息的检索及获取方法，尽可能的提高信噪比和信息的质量。做到不仅理论上可行，而且在工程领域有现实意义。

论文先分析背景与现状，基于此，再讨论设计锁定放大器的方案与论证，选择较优方案；本文选择运用惰气玻封超级低噪声无感电阻串联的分压网络，减小电阻热噪声对微弱信号检测的影响 ；使用MSP430F169带内部捕获定时器延迟输出方波，实现移相；本系统分为三个主要模块，分别是被测输入信号、参考信息通道、相关器；被测信息及参考信息一起输入相关器中进行比较计算，得出结果由AD转换显示出来。接下来，进入电路与程序设计部分，给出具体的电路与分析。最后，经测试，得出具体的实验结果，分析该锁定放大器的信噪比，分析锁定放大的优劣并总结结论与展望。

2 微弱信号检测基本理论与系统方案

2.1 微弱信号检测基本理论

2.1.1 噪声分类

（1）热噪声(Johnson Noise)广泛存在电阻性器件中，它代表电阻性器件的最小噪声水平。场效应管的热噪声与其偏置条件有关，结型管的主要干扰信号是由于其体电阻和接触电阻。在任何一个有温度的物体中，电子都在做无定义的波动，就导致了电量的起伏不定，这必将导致电压的波动，这就是热噪声。

（2）散粒干扰信号(Shot Noise) 在导体元件中，传流的电流不是固定和不断的，却是各带着一个电子的载体的流淌产生的电流段之和。其原因是电子的发射是个随机过程，那么发射的电子的个数是随机的起伏。这就让注入基区的少子数目有所波动，从而导致电流量的波动。这类载流子各自分别随意的运动所导致的噪声就是散粒干扰信号。

（3）g-r噪声 即产生-复合噪声。半导体材料中存在杂质聚集点，它能够吸收和发出电子载体，但由于它们的位置的不确定性，它们对载体的吸收和发出也是随意的，是以导致电流的不确定变化，因为这个原因得到的噪声称之为g-r噪声。

（4）1/f干扰信号 由功率谱密度与频率不成正比的不确定的上升下降现象产生的干扰信号为1/f干扰信号。

2.1.2常规小信号检测法

（1）滤波

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