摘 要：采用MSP430作为整个系统的主控制器，设计并制作了一套微弱信号检测装置，用于检测在强噪声背景下已知频率的微弱信号的幅度值，并在LCD上显示该值。最终测试表明，该系统能较好地实现微弱信号的检测，其抗干扰能力强，测量精度高。
关键词：MSP430；微弱信号；强噪声；检测装置；LCD

　随着现代科学研究和技术的发展，在教学科研与生产过程中人们越来越需要从复杂、高强度的噪声中检测出有用的微弱信号，于是微弱信号检测这门新兴的科学技术从此诞生[1]。当然，在强噪声背景下对微弱信号的检测也逐渐成为当前科学研究的热点，也一直是工程应用领域的难题[2]。微弱信号并不意味着信号幅度小，而是指被噪声淹没的信号，“微弱”也仅是相对于噪声而言的。只有在有效抑制噪声的条件下有选择地放大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。
　目前，在强噪声背景下对微弱信号的检测早已经成为很多领域中进行现代科学技术研究必不可少的手段，微弱信号检测技术的应用相当广泛，在生物医疗、航空航天、光学、电学、材料科学、军事以及工业生产等相关领域显得愈发重要。因此，对微弱信号检测技术的研究探索，研制新型的微弱信号检测装置设备是目前微弱信号检测技术领域的一大热点。
　微弱信号检测技术不断发展，从传统的频谱分析、取样积分和时域平均方法到最近发展起来的小波分析理论、相关检测、混沌振子等方法，在微弱信号检测中均有广泛的应用。传统的微弱信号检测技术方法是使用放大和滤波电路对被测信号进行放大和滤波处理，但是有用的信号被放大的同时，噪声也被放大，信号的信噪比并没有提高，因而传统的检测技术无法实现对微弱信号的检测[3]。
本装置采用了以相干检测技术为基础的锁相放大器来实现强噪声背景下微弱信号的检测。该装置在有效抑制噪声的条件下，提高被检测信号的输入信噪比，有选择地放大微弱信号的幅度，最终提取出有用的“微弱信号”。与传统设计方法相比，该微弱信号检测装置在测量精度、抗干扰能力等方面都得到很大提高。
1 系统的硬件设计与实现
1.1 系统的工作原理及框图
　系统原理框图如图1所示，主要由基于锁相放大器的微弱信号检测电路、微处理器MSP430、电源模块和显示电路组成。其中，微弱信号检测电路原理框图如图2所示，其主要由前置放大、前置滤波、相敏检波器AD630、移相网络以及低通滤波等电路组成。

　本系统首先通过前置放大电路对强噪声背景下的微弱信号进行预放大，再通过前置滤波器选择设计所需的通频带，然后通过以AD630为核心器件的锁相放大器，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号，将该直流信号通过MSP430 MCU进行A/D采样和数据处理后，通过液晶显示出来。
1.2 微弱信号检测电路的设计
　在本设计中，微弱信号检测电路是利用锁相放大的原理对强噪声背景下的微弱信号进行相干检测，能够实现对信号的窄带化处理，能有效抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器，它利用与被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、同相的噪声分量有响应。因此，锁相放大器能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是微弱信号检测的一种有效方法。
　本设计中，锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器AD630 3部分组成，其中核心部件是AD630。信号通道由前置放大和前置滤波组成，其作用是对强噪声背景下的微弱输入信号进行预放大，再通过前置滤波器选择设计所需的通频带。参考通道的作用是提供一个与微弱输入信号同频率、同相位的参考信号。相敏检波器AD630的作用是使参考信号与输入信号做模拟乘法运算，利用参考信号与输入信号的互相关特性，提取出与参考信号同相位、同频率的输入信号，从而在强噪声背景下提取出有用的微弱信号，实现同步相干检测[4-5]。
1.2.1 前置放大滤波电路
　前置放大滤波电路如图3所示，为了满足设计要求，设计了一款巴特沃斯低通滤波器，其截止频率为2 kHz。通过巴特沃斯低通滤波器的两级放大使增益达到100倍，每级放大倍数都为10倍。该电路不仅用于对强噪声背景下的微弱信号进行预放大处理，使其输入到后级锁相放大器的信号有个适当的幅度；而且该电路能滤除所需频带外的噪声，降低了噪声对信号的干扰，提高了输入信号的信噪比。

1.2.2 移相网络
　本设计中，所设计的移相网络原理图如图4所示。该移相网络使用的核心器件是TI公司的运算放大器OPA2227，该移相网络主要用于对参考信号进行移相。其原理是RC相移，通过跳线选择不同的接口，调整可变电阻可以实现不同的相移。通过使用一片OPA2227来实现对参考信号进行相移，其中原理图上方部分可以实现0~90°的相移，下方的模块可以实现90°~180°相移。但是需要注意一点：必须在该原理图下方的移相模块中加入饱和电阻，否则频率过低时容易出现输出信号饱和。

1.2.3 相敏检波器
　相敏检波器电路以AD630芯片作为核心器件，其电路原理图如图5所示。AD630是一款高精度的平衡调制器，具有出色的精度与温度稳定性，非常低的通道串扰以及较高的共模抑制比和增益调节，同时还可以在外部加入反馈来实现所需增益与开关反馈布局。它可以从100 dB噪声中恢复信号，频带宽度达到2 MHz。AD630内部包含两路放大器、一路比较器和一路滤波用放大器，用外部电阻和电容配合，就可以实现锁相放大器的功能。因此，参考信号经过移相网络后就不再需要设计比较器。其信号处理应用包括：平衡调制与解调、同步检波、相位检测、正交检波、相敏检测、锁定放大以及方波乘法等。实际上，锁相放大器与调制解调有些类似，只不过频率更低。使用本芯片可以减少相敏检波器与噪声方面的许多考虑，大大减小了开发难度，缩短了开发周期。

1.2.4 低通滤波电路
　输入信号通过相敏检波器后还需对信号进行最后一步处理，在输入信号包含的信号分量中，只有与参考信号频率完全一致的信号才能在相敏检波器的输出端得到直流偏量，其他信号在输出端都是交流信号。如果在相敏检波器的输出端加一个低通滤波器，那么所有的交流信号分量将全部被滤掉，剩下的直流分量就只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。同时，低通滤波电路可以对信号的幅度进行改善，调节增益使之与源信号幅度一致。本系统中所设计的低通滤波电路如图6所示，采用的是TI公司的LF353运算放大器。

3 系统测试及结果分析
　在实验室环境下，用函数信号发生器来产生一个频率范围为500 Hz~2 kHz、幅度峰峰值较小的微弱正弦波信号。噪声源采用标准噪声（wav文件）来产生，通过PC的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。微弱正弦波信号与噪声源信号经加法器进行叠加，叠加后的信号用来模拟强噪声背景下已知频率的微弱信号，将该微弱信号作为微弱信号检测装置的输入信号，对系统进行性能测试，实现对该微弱信号进行检测。
当微弱信号检测装置的输入信号的频率f在500 Hz~ 2 kHz范围内、幅度峰峰值在50 mV~2 V范围内变化时，检测并显示微弱信号检测装置输出信号的幅度值Vo，并记录液晶显示器的数据。其输出信号的幅度峰峰值与输入信号的频率、幅度的变化关系的数据如表1所示。

　测试结果表明，对不同频率、不同幅度峰峰值的微弱信号，该微弱信号检测装置能精确地进行检测，将强噪声背景下已知频率的微弱信号检测出来，用液晶显示器输出稳定的测量值，且微弱信号的测量值与信号发生器的输出值大小基本吻合。这说明该系统性能稳定，能够实现强噪声背景下已知频率的微弱信号的检测，且测量精度较高。
该微弱信号检测装置不需要复杂的电路就能有效抑制高强度噪声信号，提高系统信号的信噪比，并能够在强噪声背景下提取有用的微弱信号，较好地实现了对微弱信号的检测，其抗干扰能力强，测量精度高。
参考文献
[1] 杨汉祥.微弱信号检测技术的研究[J].科技广场，2009（1）：27-30.
[2] 夏均忠，刘远宏，冷永刚，等.微弱信号检测方法的现状分析[J].噪声与振动控制，2011（3）：156-161.
[3] 秦玉伟.传感器微弱信号检测方法研究[J].河南科学，2013，31（2）：155-157.
[4] 朱晓莉，厉霞.基于AD630的双相锁相放大器的设计[J].机电工程技术，2012，41（6）：19-23.
[5] 杨建新，武银兰.锁定放大器在检测微弱信号中的应用[J].物理通报，2012（9）：80-82.