摘要：针对现在制品锁相扩大器价格贵重且体积大，传统窄带滤波法功用和灵活性差的特色，规划了依据锁相扩大器原理的弱小信号检测电路。本电路选用单片机作为鼓励信号和参阅信号的发生器，运用带关断引脚的运放完成相敏检波器，整个电路仅运用了5个运算扩大器和一些阻容元件。试验标明，本电路能完成了从信噪比为0．1的被测信号中提取有用信号幅值的功用，丈量差错控制在5％以内。因为本电路有完成简略和本钱低的特色，稍加修改后可作为模块电路用到其他丈量体系傍边。
关键词：弱小信号检测；锁相扩大器；相关检测；正交矢量
在科学研究和工程实践中，关于弱小信号的检测有如下2种常见的办法：
1)窄带滤波。即将带噪声的弱小信号滤波，依据需求的输出信噪比挑选适宜的通频带带宽。这种办法因为完成起来简略且本钱比较低，因而得到了广泛的运用。可是为了得到高的信噪，要求滤波器的通频带很窄，这或许存在中心频率不稳定等问题，很难完成，并且这种办法只能丈量单个频点的信号，灵活性较差。
2)相关检测。相关检测技能首要运用有用信号的相关性，以锁相扩大器为例，将待测信号和参阅信号相乘，因为参阅信号和待测信号有相关性相关性，但和噪声却没有相关性，因而对相乘后的信号进行滤波后会得到一个直流重量，该信号中包含了待测信号的幅值和相位信息。
因为与窄带滤波的办法比较，锁相扩大办法能够完成大得多的信噪比，因而在需求高度精细丈量的范畴得到了广泛的运用。但是因为锁相扩大器是一种非常贵重的仪器，在一般的工程丈量范畴运用的并不多，现在窄带滤波的办法依然是一般工程丈量范畴的干流办法。为了丈量某被测网络的特性，本文运用锁相扩大器的原理，规划了一种弱小信号检测电路用以替代传统的窄带滤波办法，这种电路具有功用好、本钱低的特色，并且能够直接作为模块电路集成到实践体系傍边。
1 整体规划
1．1 体系需求
如图1所示，将一个鼓励信号输入到被测网络中，经过丈量从被测网络输出的信号，咱们能够得到被测网络的一系列特征信息。鼓励信号的频率规模为500 Hz到2 kHz。因为被测网络的效果，输出的被测信号中有用信号被噪声所吞没，其间噪声的峰峰值最大为1 V，其的功率谱在100 Hz到1 MHz内近似平整散布；而有用信号的峰峰值在100 mV到200 mV之间。为了精确的获取被测网络的特性，要求弱小信号检测电路从噪声中丈量出有用信号的峰峰值，对有用信号的丈量精度要求在5％以内。
1．2 体系组成
体系的整体结构图如图2所示，本体系依据正交矢量锁相扩大器的原理完成，其间包含了两路相敏检波器和两路低通滤波器。单片机发生两路彼此正交的参阅信号，因为被测信号是由单片机发生的鼓励信号经过被测网络后得到的信号，因而能够做到被测信号与参阅信号同频。体系中其他各部分的功用如下：
1)信号通道。信号通道首要是对被测信号进行预滤波和沟通扩大等处理。预滤波提高了信号的信噪比，减小了对相敏检波器的动态容限的要求，沟通扩大使得信号在进入相敏检波器时有适宜的幅值。
2)相敏检波器。相敏检波器对被测信号和参阅信号进行乘法运算，并得到它们和频与差频信号。因为被测信号和参阅信号通频，和频信号为直流信号。差频信号经过后边的低通滤波器滤除。
3)低通滤波器。低通滤波器滤除和频信号以及噪声信号，说到输出直流信号的信噪比。
4)单片机。单片机发生参阅信号以及鼓励信号，并经过AD转换器采样低通滤波器输出的两路信号，核算后得到被测信号的幅值和相位，终究经过LCD显现丈量成果。
2 理论剖析
2．1 相关检测原理
经过低通滤波器今后，只需设置低通滤波器的截止频率fout，满意fout≤f，并且其带宽满足窄，就能够滤出一切频率高于截止频率的信号，这时同相输出I，正交输出Q。
依据这两路输出，进行运算单元的处理，就能够得到待测有用信号的幅值A和相位φ。
2．2 信噪比剖析
由上文的剖析可知，为了获取有用信号，需求在相敏检波器后边进行低通滤波，以滤去和频信号和噪声，因而滤波器的带宽决议了终究信号的信噪比。因为被测信号中噪声的功率谱特性是近似平整的，而噪声的能量与带宽成正比，在知道了原信噪比和方针信噪比今后，就能够求出低通滤波器的带宽。原信噪比便是被测信号在未进过任何处理时的信噪比，记为SNR1，方针信噪比便是进入AD转换器前信号的信噪比，记为SNR2。依据体系需求可得这2个信噪比为：
一阶低通滤波器的3 dB带宽与其等效噪声带宽的比值约为1：1．5，因而假如低通滤波器选用一阶低通滤波器的话，其3 dB带宽最大为16．7 Hz。本体系为了留余量，将低通滤波器的截止频率设置在了5 Hz。
3 电路规划
3．1 信号通道
信号通道的电路原理图如图3所示，信号通道由一个带通滤波器和一个扩大器组成。因为待测信号的频率规模为500 Hz到2 kHz之间，为了确保精度，将带通滤波器的低频端转机频率foutL约为100 Hz，高频端转机频率foutH约为10 kHz；因为待测信号源等效内阻小于100 Ω，所以滤波器输入端没有加跟从，仅仅用简略的一阶RC滤波器级联完成。扩大器选用FET输入型运放OPA132完成，OPA132的增益带宽积为10 MHz，扩大器的扩大倍数为52倍。
3．2 相敏检波器
相敏检波器的电路原理图如图4所示。电路选用了两个带关断引脚的运放TLV2460，当运放的关断引脚(nSHDN)为高电平时，运放正常输出；当运放的关断引脚为低电平时，运放输出为为高阻态。这儿运用了一个同相跟从器和一个反相跟从器并联的办法来完成相敏检波，当参阅信号为高电平时，U2为同相输出，U3为输出高阻，所以总输出为同相输出；当参阅信号为低电平时，U2为输出高阻，U3为反相输出，所以总输出为反相输出。经过这种办法，相当于信号通道信号同步于参阅信号与+1和-1进行了乘法运算。选用这种办法进行乘法运算避免了运用贵重的模仿乘法器，且精度比模仿乘法器要高。
3．3 低通滤波器
低通滤波器的电路原理图如图5所示。低通滤波器为一个简略的一阶RC滤波器，截止频率约为5 Hz。
4 试验成果
为了验证电路的功用，规划里一个模仿的被测网络。其基本原理是运用电阻分压模仿网络衰减特性，运用加法器将噪声混到有用信号中。试验的成果如图6所示，其间横坐标为被测信号中有用信号的峰峰值，纵坐标为丈量差错，从图中能够看到一切丈量成果的差错都控制在了5％以内，并且跟着有用信号峰峰值的增大丈量差错进一步减小。
5 定论
本文依据锁相扩大器的原理规划了一种低本钱的弱小信号检测电路，整个电路只运用了5个运算扩大器和一些阻容元件，有效地完成了从被噪声吞没的信号中提取有用信号的功用。与运用制品锁相扩大器比较本电路有本钱低价、体积小、易集成等长处；与传统的窄带滤波法比较，本电路有功用好、灵活性高级长处。本文中运用的办法不光能够用来丈量本文所诉网络的特性，稍加修改后还能够作为模块电路用在比如RLC阻抗剖析、光谱剖析等范畴。
