本發(fā)明涉及一種檢測(cè)裝置，尤其涉及一種基于C8051F020的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們會(huì)經(jīng)常遇到毫伏甚至是微伏量級(jí)的這種微弱信號(hào)檢測(cè)問題。比如說(shuō)接收到的衛(wèi)星信號(hào)、熒光光強(qiáng)的測(cè)量、地震波形及波速的測(cè)定、生物電信號(hào)及紅外探測(cè)的測(cè)量等等。微弱信號(hào)也不一定就是微小信號(hào)，它只是相對(duì)噪聲而言的，這些微弱信號(hào)通常都淹沒在強(qiáng)噪聲之中，如何對(duì)這些噪聲中的有用信號(hào)進(jìn)行有效提取并加以利用，成為目前人們關(guān)注的重點(diǎn)。隨著人們關(guān)注度的提高，檢測(cè)技術(shù)也在不斷提高，從傳統(tǒng)的頻譜分析到混沌振子、小波變換、鎖相放大器技術(shù)等等，微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)逐步發(fā)展上一個(gè)新臺(tái)階。

C8051F020/1/2/3單片機(jī)所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于C8051F020的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：基于C8051F020的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置由加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、微弱信號(hào)檢測(cè)電路及顯示電路等部分構(gòu)成。加法器是為了使正弦信號(hào)與噪聲疊加在一起，然后通過純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)，模擬出來(lái)的微弱信號(hào)經(jīng)過前置放大濾波送人AD630鎖相放大器檢測(cè)，AD630是將輸人信號(hào)與參考信號(hào)比較，利用輸入信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)特性，當(dāng)輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻時(shí)，鎖相放大器輸出直流量，并且輸出信號(hào)與輸入信號(hào)及參考信號(hào)的相位差存在一定關(guān)系，當(dāng)輸入信號(hào)與參考信號(hào)同相時(shí)，輸出直流量最大，然后通過低通濾波將輸出來(lái)的直流信號(hào)送單片機(jī)采集處理并在LCDl602上顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測(cè)。

所述的加法器采用OPA2134芯片，采用200kΩ的電阻R4及2kΩ的電阻R9分壓將信號(hào)衰減101倍從而模擬了原始的帶噪聲的微弱信號(hào)。

所述的前置放大電路的運(yùn)算放大器采用OP07，每級(jí)分別放大11倍，2級(jí)共放大121倍。

所述的濾波采用切比雪夫?yàn)V波器，采用OP07放大器組成的二階有源濾波。

所述的鎖相放大器電路由信號(hào)通道、參考通道、相敏檢波器以及輸出電路組成，本設(shè)計(jì)采用AD630芯片。

所述的移相電路采用模擬移相電路，采用2階全通濾波器串聯(lián)，每一階濾波器都可以通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)0°～180°的移相，2階電路從而可以實(shí)現(xiàn)0°～360°的移相。

所述的輸出端低通濾波器采用OP07構(gòu)成的低通濾波器，其中R5=500kΩ，C4=10nF，其截至頻率約為32Hz，同時(shí)，低通濾波電路也可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的放大，從而使輸出幅度與原信號(hào)幅度一致。

本發(fā)明的有益效果是：基于C8051F020的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置對(duì)不同頻率、不同幅度峰峰值的微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果都非常精確。當(dāng)微弱信號(hào)在10mV附近時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差出現(xiàn)大于5％的情況，這是由于信號(hào)非常小時(shí)放大器的線性誤差及零漂，C8051F020的AD采樣的非線性誤差等導(dǎo)致的，可以考慮使用精度更高的芯片。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是系統(tǒng)整體框圖。

圖2是加法器與電阻分壓網(wǎng)絡(luò)電路。

圖3是鎖相放大器電路。

圖4是低通濾波電路。

圖5是系統(tǒng)流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，基于C8051F020的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置由加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、微弱信號(hào)檢測(cè)電路及顯示電路等部分構(gòu)成。加法器是為了使正弦信號(hào)與噪聲疊加在一起，然后通過純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)，模擬出來(lái)的微弱信號(hào)經(jīng)過前置放大濾波送人AD630鎖相放大器檢測(cè)，AD630是將輸人信號(hào)與參考信號(hào)比較，利用輸入信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)特性，當(dāng)輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻時(shí)，鎖相放大器輸出直流量，并且輸出信號(hào)與輸入信號(hào)及參考信號(hào)的相位差存在一定關(guān)系，當(dāng)輸入信號(hào)與參考信號(hào)同相時(shí)，輸出直流量最大，然后通過低通濾波將輸出來(lái)的直流信號(hào)送單片機(jī)采集處理并在LCDl602上顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)一個(gè)用于檢測(cè)強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱信號(hào)裝置，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)電路及顯示電路組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示，加法器是為了使正弦信號(hào)與噪聲疊加在一起，然后通過純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)，模擬出來(lái)的微弱信號(hào)經(jīng)過前置放大濾波送人AD630鎖相放大器檢測(cè)，AD630是將輸人信號(hào)與參考信號(hào)比較，利用輸入信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)特性，當(dāng)輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻時(shí)，鎖相放大器輸出直流量，并且輸出信號(hào)與輸入信號(hào)及參考信號(hào)的相位差存在一定關(guān)系，當(dāng)輸入信號(hào)與參考信號(hào)同相時(shí)，輸出直流量最大，然后通過低通濾波將輸出來(lái)的直流信號(hào)送單片機(jī)采集處理并在LCDl602上顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測(cè)。

如圖2所示，加法器采用OPA2134芯片，該芯片帶寬為8M，滿足設(shè)計(jì)對(duì)帶寬大于1MHz的要求，可以很好實(shí)現(xiàn)噪聲與正弦信號(hào)的疊加。再通過純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，采用200kΩ的電阻R4及2kΩ的電阻R9分壓將信號(hào)衰減101倍從而模擬了原始的帶噪聲的微弱信號(hào)。

要想有效地對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，首先需要通過放大電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大預(yù)處理，以滿足后級(jí)采樣要求，該放大電路采用2級(jí)同相放大電路，由于同相放大器輸入阻抗高，可以滿足微弱檢測(cè)電路的輸入阻抗1MHz的要求，運(yùn)算放大器采用OP07，其外圍電路簡(jiǎn)單，可以有效抑制共模干擾，每級(jí)分別放大11倍，2級(jí)共放大121倍。

如圖3所示，鎖相放大器電路是微弱信號(hào)檢測(cè)的核心，它是由信號(hào)通道、參考通道、相敏檢波器以及輸出電路組成，是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器。它利用與被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)比較，只有與參考信號(hào)同頻及相位關(guān)系的信號(hào)才會(huì)有響應(yīng)，輸出直流信號(hào)。這樣便可以大幅度抑制噪聲信號(hào)，從而提取出有用信號(hào)?；诖颂匦员驹O(shè)計(jì)采用AD630芯片，AD630內(nèi)部包含兩路放大器、一路比較器和一路濾波用放大器，外圍電路只需要配合簡(jiǎn)單的電阻及電容便可實(shí)現(xiàn)鎖相放大器的功能。并且AD630具有極高并且穩(wěn)定的放大倍數(shù)，增益最大可達(dá)220dB，此處我們?cè)O(shè)計(jì)選擇其2倍的放大倍數(shù)，能檢測(cè)極微弱交流輸入信號(hào)，其直流輸出電壓與輸入信號(hào)幅度、被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相位差成正比。使用本芯片可以減少相敏檢波器與噪聲方面的許多考慮，外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從帶通濾波器輸出輸入到鎖相放大器AD630；然后另一路將參考信號(hào)V_REF經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)，輸入到AD630參考端。

由以上可知，鎖相放大器輸出信號(hào)的大小與信號(hào)通道及參考通道之間的相位差有關(guān)，所以要經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行移相。移相的方法很多，比如說(shuō)有模擬移相、數(shù)字移相等。本設(shè)計(jì)采用模擬移相電路，模擬移相電路實(shí)際上就是一個(gè)全通濾波電路，它的放大倍數(shù)Au=(-1+jwRC)/(1+jwRC)，寫成模及相角的形式為：丨Au丨=1，φ=180°-2arctan(f／f_O)，其中f₀=1/(2ππR)。本設(shè)計(jì)采用2階全通濾波器串聯(lián)，每一階濾波器都可以通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)0°～180°的移相，2階電路從而可以實(shí)現(xiàn)0°～360°的移相。

如圖4所示，從鎖相放大器輸出的信號(hào)還要進(jìn)一步濾波處理，因?yàn)橹挥信c參考信號(hào)同頻率的信號(hào)經(jīng)過鎖相放大器才輸出的是直流分量，而與參考信號(hào)不同頻率的信號(hào)輸出還是交流量。通過設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，將相敏檢波器的輸出端的所有交流信號(hào)分量全部濾掉，這樣使得輸出的信號(hào)就是正比于輸入想好中的特定頻率的信號(hào)的幅值。濾波器采用OP07構(gòu)成的低通濾波器，其中R5=500kΩ，C4=10nF，其截至頻率約為32Hz，同時(shí)，低通濾波電路也可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的放大，從而使輸出幅度與原信號(hào)幅度一致。

如圖5所示，本發(fā)明采用C8051F020單片機(jī)完成對(duì)鎖相放大器輸出的直流信號(hào)進(jìn)行采集處理，該單片機(jī)自帶12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率高，使用方便，滿足設(shè)計(jì)要求，將輸出的直流信號(hào)送入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過算法加權(quán)處理，將結(jié)果在LCDl602上顯示。