锁定放大技术在ACFM检测电路设计中的应用

扰动磁场检测信号是微弱信号且总是不可避免地含有噪声和干扰信号.利用锁定放大技术设计一扰动磁场检测电路,包括去2.5 V直流电路、放大滤波电路、移相电路、电压型开关式乘法器.该设计电路实现了对扰动磁场微弱信号的测量与消噪处理.试验表明,利用锁定放大技术设计优化ACFM检测电路是一种有效的方法.     

基于锁相放大原理的微弱信号检测装置的研制

为解决传统信号检测装置精度低、信噪比低的问题,研制了一种基于锁相放大原理的微弱信号检测装置。本装置是以超低功耗单片机MSP430为处理器,结合锁相放大原理实现的微弱信号监测装置,该装置包含加法器、纯电阻衰减网络、微弱信号检测电路及单片机控制显示和AD采样。本装置能将微弱信号从强噪声中检测出来,并通过液晶显示实时采样的幅值,且误差最高能达到1%以下,所能检测到的弱信号幅度能达到20mV以下,误差基本能达到要求指标。     

井下地层流体NMR分析仪微弱信号放大电路设计

针对井下地层流体核磁共振分析仪器回波信号的频率高、强度弱、信噪比低的特性,以及测井仪器工作环境的特殊性,设计了一种低噪声的微弱信号放大电路。电路以低噪声双极性晶体管MAT02为核心的负反馈放大电路作为第一级放大,采用低噪声集成运放AD8130作为第二、三级放大,改善了微弱信号放大电路的噪声性能。实验表明:该电路对于频带4~5 MHz微弱信号,增益可达70 d B,且其等效输入噪声电压为槡2.1 n V/Hz,同时在环境温度0~150℃时有良好的线性度、较平坦的带宽和优良的低噪声性能,可为测井仪器中较高频率的微弱信号测量研究提供参考。     

光纤光栅微弱信号检测的解调电路

为了在光纤光栅匹配解调系统中实现对光纤光栅微弱信号的检测与处理,在应用微弱光电信号检测原理的基础上设计一种高信噪比、高检测精度的解调电路,该解调电路采用低噪声电路元件参数选取原则和前置放大器设计的一般方法,在雪崩光电二极管与信号数模转换之间采用互阻放大器、巴特沃斯滤波电路和多级放大电路,实现了电路的最佳噪声匹配,有效地抑制了电路的噪声和干扰。该解调电路在光纤光栅匹配解调系统中具有很高的信噪比和测量精度,且具有很好的灵敏度,在测量低频率振动信号试验中具有优异的性能。实验表明:该电路解调系统在25～200 Hz正弦激励振动信号下具有很好的低噪声性能,精确的测试出振动信号,同时该电路所采用的方法与措施对其他测量系统也有借鉴意义。     

微弱光强信号采样电路设计

微弱光信号检测电路应用在许多精密测量仪器中。针对微弱光强信号放大采样问题,分析了传统光电检测电路存在的不足,采用S2387系列光电二极管,结合多级放大电路与T型反馈电阻网络,设计了一种放大倍率可编程的微弱光强信号采样电路。基于对实验数据的分析,通过对前后级放大倍数的合理分配,该电路兼顾了提高响应速度与降低噪声的要求,简洁可靠,适合于光强和波长变化范围大的微弱荧光、散射光和反射光检测。     

化学实验室中的噪声与微弱信号检测

在信号检测中不可避免地存在噪声,被测信号往往是被噪声搞得很模糊的微弱信号,因此,噪声的抑制对微弱信号检测有着重要意义.例如在红外和紫外光谱仪、核磁共振、电子顺磁共振、俄歇电子谱仪、质谱仪、光声光谱仪、光电子能谱仪等表面分析仪器中都需要利用锁定放大和取样平均等微弱信号检测技术.在电化学测量、气(液)相色谱、荧光分析等测量中微弱信号检测技术也不可缺少.下面仅以电化学为例说明微弱信号检测技术的应用.     

电磁超声接收系统的设计与实现

提出了一种由正交矢量锁相发大器为核心构成的电磁超声接收系统,该系统针对电磁超声换能器(EMAT)换能效率低,噪声干扰大的现状,以及锁相放大在提取噪声中微弱信号方面的优异性能,采用模拟与数字相结合的方式完成整个接收系统的设计.在该方案中,整个接收电路围绕由平衡调制解调器AD630构成的相敏检波器(PLD)展开,分别设计了信号通道、参考信道和相关器电路,并给出了相关的电路设计图.最后通过实验对比验证,证明该系统可以从噪声中提取出微弱的检测信号,且消噪效果明显,提高了信噪比.     

植物电位信号采集系统的开发与应用

植物电位是由生物体发出的不稳定的微弱电信号,其幅值变化有时只有10～20μV[1,2],信号采集过程中,其有效信息很容易被噪声所淹没.根据植物电位的高内阻源特性,在硬件采集系统中,设计了植物信号仪器放大器,该仪器以INA114和OP27组成屏蔽驱动一级放大电路,以TLC2654和OP27构造稳零和二级放大电路;采用UFA42组成硬件陷波电路抑制信号中的50Hz工模干扰,应用小波降噪技术对信号进行降噪处理.以4周大的黄瓜幼苗为实验对象,试验表明,该植物电位采集系统可有效地记录植物微弱的电信号,植物动作电位的波动周期为0.01～0.02s,可监测的幅值最低可达15μV.     

基于DDS的微弱信号提取装置的研究

为提取强噪声背景下的微弱信号,设计以MSP430F5529为主控制器的微弱信号提取装置。在利用正交矢量锁定放大器原理的基础之上,通过直接数字式频率合成器和压控放大器来实现对被测信号的跟踪,以达到对微弱信号提取的目的。     

基于混沌理论的微弱信号检测及自跟踪扫频电路实现

为解决工程实际中因待测信号常常被淹没在噪声背景中而传统信号检测方法难以检测等问题,将基于混沌理论的非线性信号检测技术应用到实际工程故障诊断中,开展了基于Duffing振子的微弱信号检测原理的分析,建立了混沌振子与微弱信号检测之间的关系,提出了基于Duffing振子的微弱信号检测方法,利用混沌系统相变对周期小信号的敏感性和对噪声具有免疫力的特点,设计制作了基于Duffing振子的微弱信号检测电路;对微弱信号检测的自适应进行了研究,利用AVR单片机及AD9850等芯片实现了信号检测电路的自动跟踪扫频功能,最后开展了该信号检测电路对不同频率微弱信号的检测试验。研究结果表明,用该电路可以实现在工程中常见的噪声背景下的中、低频率微弱周期信号的检测。     

基于数字锁相放大的时栅传感器信号处理研究

针对时栅位移传感器对信号噪声和插补时钟频率稳定性敏感及需要时钟频率高的问题,提出了一种基于数字锁相放大技术的时栅位移传感器信号处理方法。该方法用STM32F4微处理器同步产生激励信号和采集时栅输出信号,不需采集正交参考信号,将正交参考信号和输出信号送入正交矢量型数字锁相放大器,实现角位移检测。研究了基于数字锁相放大技术的时栅传感器信号处理原理和算法,设计了A/D采集电路和窄带低通数字滤波器。仿真和试验表明:在信号噪声较大条件下,时栅位移传感器的误差控制在±1.1″以内,显著提高了精度。该方法只需采集一路感应信号即可实现传感器角位移检测,优化和简化了电路结构。     

基于AD630的双相锁相放大器设计

在利用激光吸收光谱技术进行摩托车尾气检测的系统中,携带有用信息的光信号是微弱信号,淹没在很强的噪声和其他干扰的背景中,因此必须采用微弱信号检测技术中的锁相放大器来实现有用信号的提取。阐述了微弱信号检测的基本原理,比较了单通道和双通道的锁相放大器的优劣,设计了运用AD630作为相关乘法器的双相矢量锁相放大器。     

Digital Lock-in Amplifier Based on Microcontroller

A method of implementing high cost-effective and highly integrated digital lock-in amplifier with microcontroller is discussed. And the digital lock-in amplifier is more suitable for measuring low-frequency weak signal.Digital signal sequence is obtained through sampling signal measured over an integer number of signal periods, but digital reference sequence is acquired through mathematical operation, then digital phase sensitive detection can be implemented by calculating the cross-correlation function of digital signal sequence and digital reference sequence.In addition, the frequency response and phase character of the digital lock-in amplifier is analyzed. Finally, the designed digital lock-in amplifier is achieved. Experimental results show that the digital lock-in amplifier can be used for measuring weak signal with low ignal-to-noise ratio.     

基于谐波检测的光谱吸收型光纤瓦斯传感器

针对目前煤矿普遍采用的热催化瓦斯探测传感器的检测灵敏度低、环境干扰大的缺陷,设计了基于谐波检测的光谱吸收型光纤瓦斯传感器。该传感器采用锁相放大器为核心的微弱信号处理电路,通过对一次谐波和二次谐波的实验数据进行数据拟合,实现了对瓦斯气体浓度的实时精确检测。实验结果表明:该传感器能够有效地提取瓦斯浓度变化信息,测量误差小,灵敏度高。     

静电悬浮转子微陀螺微位移信号检测系统的设计

为实现对悬浮转子微陀螺转子五自由度的测量,提出了一种频分复用的微位移检测原理,主要介绍了多频率信号发生器,前置放大器,锁相放大器组成的测试系统,设计了一种基于DDS技术的多频率信号发生器和基于锁相放大原理的解调电路。实验和分析结果表明,该电路能实现多自由度微位移检测,设计的多频率信号发生器的频率分辨率能达到0．005821Hz,相位分辨率可以达到0．006rad,检测轴向灵敏度为1．34V／μm,检测径向灵敏度为0．092V／μm,测量电路的轴向位移分辨率为0．45nm,径向位移分辨率为6．6nm,转角的分辨率为0．25μrad,位移检测电路的分辨率,灵敏度和测量范围能够满足静电悬浮转子微陀螺的控制需要。     

光纤式结冰传感器微弱信号检测电路的实现

光纤式结冰传感器(FIS)中冰层对光强的调制作用微弱,且干扰源较多。通过比较常用的微弱信号检测方法(WSD),设计了由同步积分和相关检测相结合进行带宽压缩的高性能锁定放大器(LIA),并对该LIA抗干扰原理建立了数学模型。基于该LIA构建了高可靠性结冰探测系统(IDS)。结果表明锁定检测电路对FIS微弱信号能有效提取。     

基于电流模的荧光信号放大器和滤波器的设计

提出了一种采用基于电流模的放大器和滤波器电路设计方法,并利用第二代电流传输器CCⅡ实现了三阶巴特沃思低通电流模滤波器。在对第二代电流传输器结构和原理进行分析的基础上,利用CCⅡ设计了三阶巴特沃思低通电流模滤波器,并把R和C提取到CCⅡ芯片外面使它更好应用于低频荧光信号测量。电路经过Pispice的仿真证明了电路的可行性,从而提高了荧光信号检测电路的速度和信噪比,使得检测精度大大提高。本文提出的方法正确、原理清楚、电路可行。并且,电流模技术为微弱荧光信号的低噪声测量、放大和滤波提供了一条可行的技术路线。     

A novel algorithm combining oversampling and digital lock-in amplifier of high speed and precision

Because of a large amount of arithmetic in the standard digital lock-in detection, a high performance processor is needed to implement the algorithm in real time. This paper presents a novel algorithm that integrates oversampling and high-speed lock-in detection. The algorithm sets the sampling frequency as a whole-number multiple of four of the input signal frequency, and then uses the common downsampling technology to lower the sampling frequency to four times of the input signal frequency. It could effectively remove the noise interference and improve the detection accuracy. After that the phase sensitive detector is implemented. It simply does the addition and subtraction on four points in the period of same phase and replaces almost all the multiplication operations to speed up digital lock-in detection calculation substantially. Furthermore, the correction factor is introduced to improve the calculation accuracy of the amplitude, and an error caused by the algorithm in theory can be eliminated completely. The results of the simulation and actual experiments show that the novel algorithm combining digital lock-in detection and oversampling not only has the high precision, but also has the unprecedented speed. In our work, the new algorithm is suitable for the real-time weak signal detection in the general microprocessor not just digital signal processor.