1、河北工程大学毕业设计摘 要“微弱信号”不仅意味着信号的幅度很小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，微弱是相对于噪声而言的。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号, 或用一些新技术和新仪器来提高检测系统输出信号的信噪比。微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比。由于被测量的信号微弱，传感器、放大电路和测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅度大的多，放大被测信号的同时也放大了噪声，而且必然会附加一些额外的噪声，因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。本文研究了一套微弱信号检测的装置。AD524作为前置放大电路对信号进行初步放大，再利用MAX267程控滤波器对信号进行滤波以获取有用信
2、号，TLC2652作为二次放大；然后再经模数转换器转换为数字信号，同时使用增强型8051 内核的USB 控制器CY7C68013A作为主控器，将采集数据通过USB2.0接口与PC机实现高速实时传输，还设计了电源模块和单片机扩展模块。在背景噪声中检测有用信号的仪器，为现代科学技术和工农业生产提供了强有力的测试手段，应用范围遍及几乎所有的科学领域，已成为现代科技必备的常用仪器。关键词：微弱信号，噪声，信噪比，检测装置Abstract Weak signal means not only signal amplitude is small, and refers to the flooded sig
3、nal by noise,weak signal is relative to noise.The purpose of the weak signal detection extracted useful signal from strong noise,or with some new technology and new instruments to improve the SNR of output signal detection system. Primary mission of weak signal detection is to improve SNR. Due to th
4、e measured weak signal is small, sensors,amplifying circuit and the inherent noise of measurement instrument and outside disturbance noise are larger than the useful signal amplitude of the often.Enlarging the measured signal means also enlarging noises and will add some extra noise,so only by the a
5、mplifier can not detection the weak signal.Only in effective noise conditions suppressing amplitude of weak signal can extract useful signal. This paper studies a set device of weak signal detection. AD524 as preamplifier is primarily to amplifier signal, then uses MAX267 to filter signal to get the
6、 useful signal, and uses TLC2652 as second to amplifier; Then the adc converts a analogue signal to a digital signal, also uses the USB controller CY7C68013A of enhanced 8051 kernel as the main controller and collected data will transmit through USB2.0 implementing high-speed real-time with the PC;
7、And devises a power supply module and microcomputer expansion module. Detection equipment of useful signal in the background noise,which provides a strong means testing for modern science and technology, and the industry and agriculture production, application scope is throughout almost all the fiel
8、ds of science.It has become the common instrument for modern science and technology.Keywords: weak signal，noise,signal-to-noise ratio,detection device目 录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1 微弱信号检测装置研究的意义11.2 国内外发展概况21.2.1 国内检测仪器的发展21.2.2 国外检测仪器的发展21.3设计内容3第2章 噪声概述42.1 噪声种类及其特性42.2 干扰的抑制方法5第3章 微弱信号检测的原理和常用检测理论83
9、.1 微弱信号检测的原理83.2 微弱信号检测的方法8第4章 检测电路总体设计124.1 信号调理模块124.2 数据采集模块134.3 检测电路图13第5章 微弱信号的采集与调理155.1 信号拾取和低噪声前置放大器155.2 程控滤波器175.3 TLC2652放大器20第6章 基于USB2.0协议的数据采集装置236.1 A/D转换器的选择236.2 USB 20特点276.3 CY7C68013A单片机286.4 CY7C68013A单片机的外部扩展电路306.5 单片机软件编程356.6 电源的设计376.6.1 稳压电源设计376.6.2 各器件的电源39第7章 CY7C68013
10、A与上位机的通信417.1 CY7C68013A固件程序417.2 USB驱动程序417.3 动态链接库DLL427.4 LabVIEW界面应用程序42第8章 结 语44参考文献45致 谢4646河北工程大学毕业设计第1章 绪 论微弱信号检测是测量技术中的一个综合性的技术分支，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特征和相关性，检出并恢复被背景噪声掩盖的微弱信号。微弱信号检测技术研究的重点是如何从强噪声中提取有用信号，探索采用新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。微弱信号检测理论的研究是探索新的微弱信号检测方法。分析噪声产生的原因和规律,以及被测信
11、号的特征,采用适当的技术手段和方法,把有用信号从噪声中提取出来,即研究其检测方法1。1.1 微弱信号检测装置研究的意义微弱信号处理主要是解决伴有噪声信号的检测，降噪和分离等问题。在我们日常生活中，噪声干扰随处可见，它常常与有用信号共存，并且普通方法难以将分离，从而严重影响系统的运行和目标信号的正常检测。因此在信号处理领域，是想方设法去除干扰噪声以获取有用信号。而在目前一些科学研究和工程实践中，我们经常会遇到噪声很强的情况，就是在强噪声中检测微弱信号(毫微伏数量级的问题，这无疑更增加了信号检测的难度，比如测定材料分析时测量荧光光强、震的波形和波速、红外探测以及生物电信号测量、卫星信号的接收等，这
12、些问题归结为噪声中微弱信号的检测2。所以微弱信号主要是指被强噪声淹没的小幅度号，微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法提高检测系统输出信号的信噪比。微弱信号检测作为一门新兴的技术学科，应用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、力学、地质、环保、医学、激光、材料等领域，对微弱信号检测理论的研究探索新的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是当今检测技术领域的个热点。目前，微弱信号检测技术主要采用电子学、信息论、计算机及物理学的段，分析噪声产生的原因和统计特性，研究被测信号的特点与相关性，从而检测噪声淹没的微弱有用信号。常用的检测方法有窄带滤波、取样积分、相关检测、重相
13、关匹配、随机共振、浑沌振子、小波变换等方法，其宗旨都是研究如何从强声中提取有用信号，任务是研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术，从而其应用于各个学科领域当中3。在本文所涉及的自动化测量控制领域中，各种参数的测量将直接关系到工业产的质量，尤其对超精密仪器仪表的测量，测量精度的要求非常严格。如果测量装置工作在电源变压器或输电线路附近，采集信号往往会受到工频电磁场及其谐波的干扰，从而增加了获取精准信号的难度。传统传感器测量技术的噪声抑制能力和温度特性相对都比较差，不能满足高精度测量对抗干扰能力的要求。因此，在对低频微弱信号的智能数据采集中，具有抗工频干扰的微弱信号检测系统也成为关键技术之一。1
14、.2 国内外发展概况仪器科技产品的发展趋势是微型化、数字化、智能化、集成化和网络化进一步向纵深发展，并在产品性能上向高精度、高可靠性、高环境适用性目标前进，在人机界面上更便于人的操作、使用，以及与人类生活、健康有关的各类仪器科技产品有望得到较大的发展并进入家庭，通过家庭、社区、医院联网使保健、疾病诊治从医院象社区、家庭发展。 1.2.1 国内检测仪器的发展要提高信号的信噪比，这就需要采用电子学、信息论、计算机和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代科学研究和技术发展的需要。微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型和传感原理、相应的信号转换电路和
15、仪表的实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。为此，人们开始研究新的检测理论、方法和设备，以满足现代科学技术研究之需。微弱信号检测这门新兴的信号检测与处理的技术科学就是在这种情况下产生并得到迅速发展。自60年代初到现在已取得重大进展，应用范围很广，其仪器已成为现代科学研究中不可缺少的设备了。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。对微弱信号检测理论的研究，探索信的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一个热点。根据微弱信号检测理论，许多机构研制出了微弱信号检测仪。
16、目前常见的微弱信号检测设备有低噪声放大器、滤波器和锁相放大器等。低噪声放大器对于微弱信号检测仪器或设备，低噪声放大器是引入噪声的主要部件之一。根据多年的经验和公式推导，整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数。因此，仪器可检测的最小信号主要取决于低噪声放大器的噪声。低噪声放大器是任何一个微弱信号检测仪器及装置中的关键部件之一。随着半导体工艺与技术的发展，低噪声放大器的性能得到了极大的提升。锁相放大器完成正弦信号幅度及相位检测的相关检测装置，自1962年第一台仪器问世后，在科学研究的各个领域有很广泛的用途。目前，这种仪器是微弱信号检测仪器中一个十分重要的品种。已经有很多厂家生产这种仪
17、器，并在世界各地得到广泛应用。 1.2.2 国外检测仪器的发展发达国家为了保持产品在国际上的竞争力，都十分重视产品开发，各企业都设有试验研究、设计结构，有相应的实验室。大型公司还有试制车间，对新开发的产品精益求精，力求投入市场的新产品能为客户所信赖。为了加快产品更新换代，企业非常重视科技进步，尽量在新产品中采用各种高新技术及其形成的新型传感器、新型器件（特别是超大规模集成专用电路）及新材料，并采用计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）以缩短新产品开发周期。微弱信号检测仪器科技产品的微型化发展趋势，主要依托于微机电系统(MEMS）微米/纳米制造技术和微电子IC制造技术，使仪器科技产品
18、集机械、传感、测控等部件于一个芯片上，并能按微电子IC批量加工工艺制造。微弱信号检测仪器科技产品的数字化、智能化发展趋势，随着微电子技术、计算机技术、人工智能技术的发展而进步，它使仪器科技产品与数字处理器，超大规模专用集成电路、PC技术、人工智能技术进一步融合在一起。国际上目前先进的数字化、智能化仪器仪表系统构成，以数字信号处理系统（DSPS）为代表，它以DSP为核心，配合先进的混合信号电路，专用系统集成电路、元件及开发工具等组成对整个应用系统的完整解决方案。在数字化和智能化发展的趋势中，硬件和软件处于同样重要的地位，旦硬件是基础，仪器使用新器件、新工艺，特别是超大规模集成的新器件，能使原来不
19、能实现的指标成为可能，因此新器件的采用能成为产品竞争的重要筹码。另一方面软件在智能仪表的发展中起着越来越重的作用，现代仪器仪表设计中软件工作量已占到70%80%，这在某种程度上决定着仪器的功能和性能。软件能完成性能指标补偿、自动测试，自检、自诊断、数据采集、控制、传输、显示等功能。有的如计算机、光盘等的评估测试，主要由软件完成。软件将成为今后智能仪表发展的重要方向。未来10年，更高程度的智能化应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能，是数值、逻辑与知识的结合分析结果，智能化的标志是知识的表达与应用。微弱信号检测仪器科技产品的集成化、网络化发展趋势，以总线技术、仪表及其模块开放式互联标准及通信技
20、术为基础，包括测试软件的规范化、标准化，使自动测试系统的构成向大生产领域和军事工程领域扩展，并能提供所需要测试的系统方案或系统集成力。微弱信号检测仪器科技产品在生物、环保、医学等有关人的生存、发展领域的应用日新月异，现代高科技军事方面的发展也促进了仪器科技产品的应用拓展，灵敏、准确的现场毒物检测、生命保障任务也大大扩大了仪器科技产品的应用领域。1.3设计内容（1）研究噪声特点和常用微弱信号检测理论。（2）设计针对不同目标的微弱信号拾取探头。（3）系统总体结构及硬件电路设计。包含电源电路、前置放大电路、二次放大电路、陷波电路、光电隔离电路。（4）确定数据采集系统总体方案。数据采集系统硬件设计：
21、USB2.0接口模块设计，A/D转换模块设计，数字I/O模块设计，复杂大规模可编程集成电路(CPLD)设计，电源设计等。数据采集系统软件设计：Firmware固件设计，驱动程序设计，应用程序设计。第2章 噪声概述论文中分两种噪声讨论，电路内部的固有噪声和外部的干扰噪声5。由组成检测电路的元件产生的内部噪声称之为固有噪声，它是由电荷载体的随机运动所产生的。例如，散弹噪声就是流过势垒（如半导体PN结）的电流的随机部分，它是由载流子随机越过势垒所造成的。热力引起的载流子的随机运动是热噪声的根源，其幅度取决于温度，也与导体的电阻值有关，即使没有电流流过导体，热噪声依然存在。固有噪声包括电阻的热噪声，P
22、N结的散弹噪声，1/f噪声和爆裂噪声。（1/f噪声是由两种导体的接触点电导的随机涨落引起的凡是有导体接触不理想的期间都存在1/f噪声，所以1/f噪声又叫接触噪声）。外部干扰噪声的种类很多，例如，音频系统中的50Hz及其谐波交流声，就是经过电源线和音频线之间的互感或分布电容引入到音频通道中的，这是一种确定性的干扰噪声。另一个例子是部分电路可能扮演天线的角色，从而接受广播信号。在这两个例子中，在一个电路中有用的信号，如果引入到其他电路中就成为噪声。2.1 噪声种类及其特性干扰噪声种类有很多种，它可能是电子噪声，通过电场，磁场，电磁场或直接的电气连接耦合到敏感的检测电路，这些都是电磁兼容性所涉及的领
23、域；干扰噪声的本源也可能是机械性的，例如，通过压电效应，机械振动会导致电噪声；甚至温度的随机波动也可能导致随机的热电势噪声。工频噪声是影响电路的主要噪声, 通常可通过电路的电源传递到电路中。为了减少这种影响,在电路设计时应在连接电源处增加旁路电容,隔离电源的交流噪声。除了这些措施外,为了滤除50Hz 的工频干扰,还可以在模数转换时采用具有50Hz陷波的模数转换器。另外, 数字电路部分与模拟电路部分分别接地, 尽量减少模拟电路的接地点同时采用画圈接地的方法都可以有效的隔离噪下声。下面列举出常见的噪声源：（1） 电力线噪声随着工业电气化的发展，工频（50Hz）电源几乎无处不在，因此工频电力线干扰也
24、普遍存在。电力线干扰噪声主要表现在以下几个方面： 尖峰脉冲：由于电网中大功率开关的通断，电机，变压器和其他大功率设备的启停以及电焊机等的原因，工频电网中频繁出现干扰脉冲。这种尖峰脉冲的幅度可能是几伏，几百伏有时甚至是几千伏，持续时间一般较短，多数在微妙数量级。这种尖峰干扰脉冲的高次谐波分量很丰富，而且出现得频繁，幅度高，是污染低压工频电网的一种主要噪声，对交流供电的电子系统会带来很多不利的影响。多数检测仪表都是由工频电路线供给能源，电网的尖峰脉冲干扰一般是通过电源系统引入到检测电路中。如果不采取适当的措施抑制电源的饿尖峰脉冲干扰，就有可能导致检测波形的畸变，严重时甚至会导致信号处理计算机的程序
25、跑飞和死机。工频电磁场：在由工频电力线供电的实验室，工厂车间和其他生产现场，工频电磁场几乎是无处不在。在高电压，小电流的工频设备附近，存在着较强的工频电场；在低电压，大电流的工频设备附近，存在着较强的工频磁场；即使在一般的电器设备和供电线的相当距离之内，都会存在一定强度的50Hz电磁辐射波。工频电压的波动就有可能串入到检测信号中。随着电力工业的发展和供电设备还有可能产生射频噪声。（2） 电气设备噪声电气设备必然产生工频电磁场，而且在开关时还会在电网中产生尖峰脉冲。某些特殊的电气设备还有可能产生射频噪声，例如高频加热电器和逆变电源。此外，某些电气设备还会产生放电干扰，包括辉光放电，弧光放电，火花
26、放电和电晕放电。2.2 干扰的抑制方法外部干扰源产生的噪声影响到检测系统的正常工作，是经由某种传播途径被耦合到了检测系统之中。抑制干扰噪声有3种方法：消除或削弱干扰源；设法使检测电路对干扰噪声不敏感；使噪声传输通道的耦合作用最小化。在多数情况下，对于产生噪声的外部干扰源很难采取有效措施将其消除或隔离，但是如果能够切断或削弱干扰耦合途径的传播作用，则可以有效地削弱干扰噪声对检测系统的不利影响。在各种干扰耦合途径中，场耦合是最普遍的耦合方式，也是最难于计算的一种耦合方式。通常，载有时变电流的电路总要向外部发射电场和磁场，其强度可以利用麦克斯韦方程来计算。从理论上来说，给定发射源电流的特性，并给定敏
27、感接受电路以及与其相耦合的电路结构，利用麦克斯韦方程可以计算出接收电路各部分的感生电压和电流。但是实际上，即使是在简单的情况下，边界条件往往是非常复杂的，为了把实际问题转换为可以求解的问题，总要进行一些粗略的简化。除了场耦合方式外，常见的干扰噪声耦合方式还有传导耦合和公共阻抗耦合方式。此外，检测电路的供电电源有可能将工频电网上的各种噪声耦合到检测电路中。 噪声源和检测电路之间的电气连接是噪声耦合的直接途经，人们也许会认为这种耦合很容易避免，而事实上并非如此。在很多实践情况中，对噪声敏感的检测电路与噪声源的连接又是必要的。解决传导耦合的一种方法是使信号线尽量远离噪声源，另一种方法是在干扰噪声传导
28、检测系统之前，采取有效的去耦和滤波措施。电路接地方法，设计检测设备的接地系统基于3个目的：一是减少多个电路的电流经公共阻抗产生的噪声电压；二是减缩信号回路感应电磁噪声的感应面积；三是减除地电位差对信号回路的不利影响。（1）50HZ限波器的设计滤波的目的是从所要测量的信号中除去干扰信号。在实际应用中，几乎所有的数据采集系统都会不同程度地受到来自电源线的5OHz的噪声干扰。50Hz的工频电源干扰经过信号放大后，其幅度也相对较大。因此，该模块对抑制50Hz的工频干扰尤其重要。滤除工频干扰的主要方法是使用Sinc3型FIR滤波器，其主要优点是它具有陷波特性，因此可以将Sinc3的陷波点设定在工频附近抑
29、制干扰。本系统中Sinc3型数字滤波器的频率响应取决于一型AD7718芯片的采样速率fADC(32.768KHz)和寄存器设置SF。它们决定了ADC的更新速率厂ADC(通道转换时间的倒数)，频率响应中的陷波位置和ADC的转换噪声。陷波位置直接相关于ADC的更新速率fADC。AD7718芯片的工作方式有斩波(CHOP)和非斩波两种，在非斩波方式时Sinc3滤波器的频率响应公式为: （2-1） 此时ADC的更新速率为 （2-2）通道转换的稳定时间三倍于通道转换时间，即 （2-3）通过公式(2-1)，(2-2)，(2-3)，我们就可以计算特定的SF值与陷波点频率以及稳定时间的关系。表l所示为AD77
30、18芯片陷波频率、稳定时间与50Hz、60Hz频率抑制的关系。当陷波点设在50Hz时，稳定时间t=3/50Hz=60ms。因此若采用Sinc3滤波器，则当输入信道改变后，最先采样输出的3个数据不能使用，应该抛弃；只有从第4个输出数据开始才是可用的，这一点在实际应用中至关重要。当工作在斩波方式时，AD转换器具有非常低的偏移误差和漂移，此时各项性能都趋于最佳。频率响应公式为(2-4)，(2-5)所示: （2-4） （2-5）在寄存器设置的SF值相等时，ADC的更新速率是非斩波时的1/3，稳定时间为2个输出数据的转换时间。如表4-1所示，分别设置SF=82或68时，对率的抑制会大于1O0dB。（2）
31、光电隔离的设计信号采集系统通常是模拟电路和数字电路的混合体，其中模数变换是不可缺少的。从信号通路来说，AD变换之前是模拟电路，之后是数字电路。模拟电路和模数转换电路决定了硬件系统输出信号的信噪比。为了提高信噪比，要想办法抑制系统中噪声对模拟电路和数据采集卡的干扰。在各种噪声当中，由数字电路产生并串入模拟及AD电路的噪声普遍存在且较难克服。数字电平上下跳变时集成电路耗电发生突变，引起电源产生毛刺。数字电路越复杂，数据速率越高，高频干扰分量越多。而普通印刷电路的分布电感较大，使地线不能完全吸收逻辑电平跳变产生的电流高频分量，产生电压的毛刺，而这种毛刺进入地线后就不能靠旁路电容吸收，而且还会通过共同的地线干扰模拟电路和数据采集卡中的模数转换电路，从而影响了数据采集卡准确地进行数据采集。因此，这种情况下需要使用光电隔离电路将输入和输出电路进行隔离，以有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰。设计可选用响应速度较快的光电隔离芯片6N137。 表4-1 SF既定后陷波频率、稳定时间与50Hz、60Hz频率抑制的关系第3章 微弱信号检测的原理和常用检测理论3.1 微弱信号检测的原理下面我从信号处理系统的信噪比改善来简单地论述一下微弱信号检测的原理。信噪比改善的定义为: SNIR=SNR
