基于MSP430的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

周林宇 趙晉楠 湯琴

【摘要】本文基于超低功耗微處理器MSP430F149設(shè)計(jì)了一套微弱信號(hào)檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)強(qiáng)噪聲背景下已知頻率正弦波信號(hào)的幅度值。該系統(tǒng)由加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、微弱信號(hào)檢測(cè)電路和顯示電路組成。經(jīng)測(cè)試，該裝置可較好滿足滿足微弱信號(hào)檢測(cè)的精度要求。

【關(guān)鍵詞】微弱信號(hào)檢測(cè);MSP430;強(qiáng)噪聲

Abstract：This essay based on TI company's ultra low power consumption microprocessor MSP430F149，designed a set of weak signal detection device，used to detect the known frequency signals under strong background noise amplitude value of the sine wave signal.The system consists of adder，partial pressure of pure resistance network，weak signal detection circuit and display circuit.Through testing the device can good meet the requirements of weak signal detection accuracy.

Keywords：weak signal detection;MSP430;strong noise

微弱信號(hào)檢測(cè)是一門(mén)新興的技術(shù)學(xué)科，它利用電子學(xué)、信息論和物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)的特征，檢測(cè)出并恢復(fù)被背景噪聲掩蓋的微弱信號(hào)。微弱信號(hào)檢測(cè)的目標(biāo)是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào)，任務(wù)是研究微弱信號(hào)檢測(cè)的理論、探索新方法和新技術(shù)，從而將其應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域當(dāng)中。常規(guī)的微弱信號(hào)檢測(cè)方法主要包括時(shí)域方法和時(shí)頻方法[1]。

一、系統(tǒng)方案

總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

（1）加法電路

為能夠?qū)⒄倚盘?hào)與噪聲信號(hào)混合在一起，并且能夠?qū)⒒旌虾蟮男盘?hào)衰減到很小的程度，采用加法電路和純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)這一要求。加法器采用TI公司的OPA2227芯片，該芯片是一款高精度、低噪聲的雙電源運(yùn)放，其增益帶寬積可達(dá)8MHz。電阻分壓網(wǎng)絡(luò)除了純電阻構(gòu)成分壓電路外，還有10nF的電容能濾除一定的雜波。

圖2 加法器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)

（2）前置放大濾波電路

前置濾波電路需要對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行100～120倍的放大，以方便后繼的檢測(cè)和測(cè)量。因此采用TI公司的一款高開(kāi)環(huán)增益、低失真率的音頻高速雙運(yùn)放放大器OPA134，帶寬為8MHz，開(kāi)環(huán)增益：120dB，輸入阻抗為3.3MΩ，滿足系統(tǒng)對(duì)輸入阻抗的要求。電路如圖3所示。

圖3 小信號(hào)放大電路

（3）移相電路

根據(jù)相敏檢波器電路的原理，需對(duì)輸入信號(hào)或參考信號(hào)進(jìn)行移相處理，達(dá)到參考信號(hào)與輸入信號(hào)同頻同相時(shí)，相敏檢波器輸出結(jié)果：

此時(shí)，則：

取vr=1時(shí)，則：

參考信號(hào)為方波或正弦波，參考信號(hào)為方波時(shí)，因方波移相比較復(fù)雜，故對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行移相處理;若參考信號(hào)為正弦波，則移相輸入信號(hào)或參考信號(hào)皆可。

方案一：RC 移相網(wǎng)絡(luò)。此方案電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但移相的同時(shí)會(huì)引起幅度較大衰減，需增加增益補(bǔ)償電路，且參數(shù)調(diào)節(jié)較困難。

方案二：有源全通濾波器，可調(diào)移相電路。在圖3中當(dāng)R3=R4時(shí)，電路的放大倍數(shù)為1，即保持信號(hào)幅度不變，相角變化，故此電路可以產(chǎn)生0-180o相移。電路中其他的參數(shù)值，可以通過(guò)計(jì)算得出。如果要產(chǎn)生108o的相移，趨近于∞，即R1趨近于∞。

根據(jù)以上分析，雖然方案二電路結(jié)構(gòu)較無(wú)源網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，但在移相的同時(shí)不會(huì)引起幅度衰減，可省去增益補(bǔ)償電路，故選用方案二，電路如圖4所示。

圖4 可調(diào)移相電路

（4）鎖相放大器

因?yàn)槲覀冎垒斎胛⑷跣盘?hào)的頻率，根據(jù)鎖相放大器的原理可以知道，它只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻（或者倍頻）、同相的噪聲分量有響應(yīng)[2]。因此，能大幅度抑制無(wú)用噪聲，改善檢測(cè)信噪比，實(shí)現(xiàn)在這一級(jí)電路對(duì)噪聲進(jìn)行有效的處理。根據(jù)鎖相放大器的組成原理，我們選用MPY634作為乘法器。MPY634是一款低功耗、高精度的寬帶模擬乘法器，構(gòu)成電路時(shí)不需或只需要很少的外部元件和連線，MPY634具有六路輸入：X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2，一路輸出：，但Z1、Z2不參與乘法運(yùn)算，所以將X2、Y2、Z1、Z2接地即可實(shí)現(xiàn)X*Y功能。用乘法器構(gòu)成的相敏檢波電路如圖5所示：

圖5 相敏檢波電路

（5）低通濾波器：

要構(gòu)成完整的鎖相放大器需要在相敏檢波電路之后加一級(jí)低通濾波器，通過(guò)低通濾波器的信號(hào)的交流部分全部被濾掉，剩下的就是正比于輸入信號(hào)的中特定頻率的信號(hào)分量，有利于后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

方案一：RLC無(wú)源濾波器具有電路簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、較好的低頻性能等優(yōu)點(diǎn)，但其參數(shù)計(jì)算較為困難，但諧波濾除率一般只有80%，對(duì)基波的無(wú)功補(bǔ)償也是一定的，這兩點(diǎn)上與有源濾波相比有一定差距。

方案二：有源濾波電路是指使用放大器實(shí)現(xiàn)濾波功能[3]。此處設(shè)計(jì)的低通濾波器需要得到直流分量，濾除一切諧波量和雜波，因此該低通濾波器的截止頻率較低。又因相敏檢波器輸出信號(hào)量中的直流量正比于微弱信號(hào)的幅值，因此該低通濾波器還設(shè)計(jì)了可調(diào)增益的功能。使用OPA227高精度、低噪聲運(yùn)算放大器能很好的設(shè)計(jì)該濾波器。

分析知，方案二：低通濾波器的電路簡(jiǎn)單，受干擾小，同時(shí)還可以調(diào)節(jié)增益。因此選擇方案二，如圖6所示。

圖6 低通濾波器

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MSP430F169內(nèi)部12位SAR型ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。ADC12是MSP430單片機(jī)的片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換位數(shù)為12比特，該模塊內(nèi)部是一個(gè)SAR型的AD內(nèi)核，可以在片內(nèi)產(chǎn)生參考電壓，并且具有數(shù)據(jù)傳輸控制器。數(shù)據(jù)傳輸控制器能夠在CPU不參與的情況下，完成AD數(shù)據(jù)向內(nèi)存任意位置的傳輸。ADC12的核將模擬量轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量并儲(chǔ)存在ADC12MEM寄存器里。這個(gè)核使用VR+和VR-來(lái)決定轉(zhuǎn)換模擬值的高低門(mén)限。當(dāng)輸入電壓超過(guò)VR+時(shí)它會(huì)停在 0FFFH 上，當(dāng)輸入門(mén)限低于 VR-時(shí)它會(huì)停在0上。采樣值的計(jì)算公式為：

將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，送往1602液晶進(jìn)行顯示。程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程圖

三、測(cè)試結(jié)果分析

（1）測(cè)試儀器

RIGOL DG4072函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、RIGOL 1052E雙蹤示波器、VICTOR VC97 數(shù)字萬(wàn)用表

同頻率不同幅度的正弦波的測(cè)量精度：使函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率固定為1KHz，幅度為200mV到2V之間，觀察1602顯示數(shù)據(jù)并記錄。測(cè)試結(jié)果如表1所示：

表1 同頻率不同幅度輸入信號(hào)測(cè)試結(jié)果

不同頻率不同幅值的輸入信號(hào)：是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的頻率在500Hz到2KHz之間變動(dòng)，幅度在200mV到2V之間變動(dòng)，觀察1602顯示數(shù)據(jù)并記錄。測(cè)試結(jié)果如表2所示：

表2 不同頻率不同幅度輸入信號(hào)測(cè)試結(jié)果

（2）測(cè)試結(jié)果分析

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，這個(gè)裝置可以測(cè)試不同頻率不同幅值的不同信號(hào)，而且誤差值都小于3%。但是這個(gè)結(jié)果還是有一定的誤差，因此還可以通過(guò)一些改變來(lái)提高精度：采用更高精度的外部AD轉(zhuǎn)換芯片、完善布局布線來(lái)減少干擾等。

參考文獻(xiàn)

[1]謝秋蓮，梁帥.淺談微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2011（5）：23.

[2]龍興波，黃敏，樊昌元.基于MSP430的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（3）：18-20.

[3]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.