1、20122012年年1515省賽區大學生電子設計省賽區大學生電子設計TITI杯競賽杯競賽試題解析試題解析微弱信號檢測裝置（微弱信號檢測裝置（A A題）題） 張國平張國平華中師范大學物理科學與技術學院華中師范大學物理科學與技術學院1 微弱信號檢測技術v濾波（如：匹配濾波器）濾波（如：匹配濾波器）v相關檢測（如：鎖相放大器）相關檢測（如：鎖相放大器）v平均（如：取樣積分器）平均（如：取樣積分器） Lock-in amplifiers（鎖定放大器）（鎖定放大器）用來檢測微弱的交流信號。利用互相關原理，用來檢測微弱的交流信號。利用互相關原理，使輸入待測的周期信號與頻率相同的參考信號在相使輸入待測的周期

2、信號與頻率相同的參考信號在相關器中實現互相關，從而將深埋在噪聲中的周期信關器中實現互相關，從而將深埋在噪聲中的周期信號攜帶的信息檢測出來。號攜帶的信息檢測出來。2 鎖相放大器例如：例如：正弦信號：正弦信號：10 nV10KHz，增益為，增益為1000輸入噪聲（噪聲電壓密度）輸入噪聲（噪聲電壓密度） ：5 nV/ Hz 帶寬帶寬輸出正弦信號輸出正弦信號輸出噪聲信號輸出噪聲信號低噪放大器低噪放大器100kHz低噪放大器低噪放大器+帶通濾波帶通濾波100Hz鎖相放大器鎖相放大器0.01HzmVkHzHznV6 . 11000100/5VHzHznV501000100/5VHzHznV5 . 0100

3、001. 0/5VnV10100010VnV10100010VnV10100010PSD: phase-sensitive detection)cos(21rsrspsdVVV)cos(21)cos(21)sin()sin(rsrsrsrsrsrsrrssrspsdtVVtVVttVVV當當 s = r 時時:鎖相放大器的工作原理)sin(ssstV)sin(rrrtVLPFVpsdXVVVrsrspsd)cos(211雙通道鎖相放大器PSD2)sin(ssstV)90sin(rrrtVLPFVpsd2YVVVrsrspsd)(sin212rsrsXYVVYXRarctan2122功能框圖功能

4、框圖正弦波正弦波信號源信號源微弱信號微弱信號檢測電路檢測電路噪聲源噪聲源VS VN VC Vo 純電阻純電阻分壓網絡分壓網絡顯示顯示電路電路加法加法器器Vi A B C D E 一、任務一、任務 設計并制作一套微弱信號檢測裝置，用以檢測在強噪聲背景下已知頻率設計并制作一套微弱信號檢測裝置，用以檢測在強噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號的幅度值，數字顯示出該幅度值。為便于測評比較，統一的微弱正弦波信號的幅度值，數字顯示出該幅度值。為便于測評比較，統一規定顯示峰值。整個系統的示意圖如圖規定顯示峰值。整個系統的示意圖如圖1所示。正弦波信號源可以由函數信所示。正弦波信號源可以由函數信號發生器來代替。噪

5、聲源采用給定的標準噪聲（號發生器來代替。噪聲源采用給定的標準噪聲（wav文件）來產生，通過文件）來產生，通過PC機的音頻播放器或機的音頻播放器或MP3播放噪聲文件，從音頻輸出端口獲得噪聲源，噪聲幅播放噪聲文件，從音頻輸出端口獲得噪聲源，噪聲幅度通過調節播放器的音量來進行控制。圖中度通過調節播放器的音量來進行控制。圖中A、B、C、D和和E分別為五個測分別為五個測試端點。試端點。3 微弱信號檢測裝置（A題）正弦波正弦波信號源信號源微弱信號微弱信號檢測電路檢測電路噪聲源噪聲源VS VN VC Vo 純電阻純電阻分壓網絡分壓網絡顯示顯示電路電路加法加法器器Vi A B C D E 1. 基本要求基本要

6、求（1）噪聲源輸出）噪聲源輸出VN的均方根電壓值固定為的均方根電壓值固定為1V 0.1V；加法器的輸出；加法器的輸出VC =VS+VN，帶寬大于，帶寬大于1MHz；純電阻分壓網絡的衰減系數不低于；純電阻分壓網絡的衰減系數不低于100。（2）微弱信號檢測電路的輸入阻抗）微弱信號檢測電路的輸入阻抗 Ri 1 M 。（3）當輸入正弦波信號）當輸入正弦波信號VS 的頻率為的頻率為1 kHz、幅度峰峰值在、幅度峰峰值在200mV 2V范圍內時，檢測并顯示正弦波信號的幅度值，要求誤差不超過范圍內時，檢測并顯示正弦波信號的幅度值，要求誤差不超過5%。正弦波正弦波信號源信號源微弱信號微弱信號檢測電路檢測電路噪

7、聲源噪聲源VS VN VC Vo 純電阻純電阻分壓網絡分壓網絡顯示顯示電路電路加法加法器器Vi A B C D E 2. 發揮部分發揮部分（1）當輸入正弦波信號）當輸入正弦波信號VS 的幅度峰峰值在的幅度峰峰值在20mV 2V范圍內時，范圍內時， 檢檢測并顯示正弦波信號的幅度值，要求誤差不超過測并顯示正弦波信號的幅度值，要求誤差不超過5%。（2）擴展被測信號）擴展被測信號VS的頻率范圍，當信號的頻率在的頻率范圍，當信號的頻率在500Hz 2kHz范范圍內，檢測并顯示正弦波信號的幅度值，要求誤差不超過圍內，檢測并顯示正弦波信號的幅度值，要求誤差不超過5%。（3）進一步提高檢測精度，使檢測誤差不超過）進一步提高檢測精度，使檢測誤差不超過2%。（4）其它（例如，進一步降低）其它（例如，進一步降低VS