微弱信號檢測裝置
四川理工學(xué)院 劉鵬飛、梁天德、曾學(xué)明
摘要：
本設(shè)計以TI的Launch Pad為核心板，采用鎖相放大技術(shù)設(shè)計并制作了一套微弱信號檢測裝置，用以檢測在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率微弱正弦波信號的幅度值，并在液晶屏上數(shù)字顯示出所測信號相應(yīng)的幅度值。實驗結(jié)果顯示其抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高。
關(guān)鍵詞：強(qiáng)噪聲；微弱信號；鎖相放大；Launch Pad
Abstract:
This design is based on the Launch Pad of TI core board, using a lock-in amplifier technique designed and produced a weak signal detection device, to measure the known frequency sine wave signal amplitude values of the weak in the high noise background, and shows the measured signal amplitude of the corresponding value in the liquid crystal screen. Test results showed that it has high accuracy and strong anti-jamming capability.
Keywords: weak signal detection; lock-in-amplifier; Launch Pad
1、引言
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在科研與生產(chǎn)過程中人們越來越需要從復(fù)雜高強(qiáng)度的噪聲中檢測出有用的微弱信號，因此對微弱信號的檢測成為當(dāng)前科研的熱點。微弱信號并不意味著信號幅度小，而是指被噪聲淹沒的信號，“微弱”也僅是相對于噪聲而言的。只有在有效抑制噪聲的條件下有選擇的放大微弱信號的幅度，才能提取出有用信號。微弱信號檢測技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域顯得愈發(fā)重要。
2、方案論證
針對微弱信號的檢測的方法有很多，比如濾波法、取樣積分器、鎖相放大器等。下面就針對這幾種方法做一簡要說明。
方案一：濾波法。
在大部分的檢測儀器中都要用到濾波方法對模擬信號進(jìn)行一定的處理，例如隔離直流分量，改善信號波形，防止離散化時的波形混疊，克服噪聲的不利影響，提高信噪比等。常用的噪聲濾波器有：帶通、帶阻、高通、低通等。但是濾波方法檢測信號不能用于信號頻譜與噪聲頻譜重疊的情況，有其局限性。雖然可以對濾波器的通頻帶進(jìn)行調(diào)節(jié)，但其噪聲抑制能力有限，同時其準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性將大打折扣。
磁芯電感器的諧波失真分析 摘 要：簡述了改進(jìn)鐵氧體軟磁材料比損耗系數(shù)和磁滯常數(shù)ηB，從而降低總諧波失真THD的歷史過程，分析了諸多因數(shù)對諧波測量的影響，提出了磁心性能的調(diào)控方向。 關(guān)鍵詞：比損耗系數(shù)， 磁滯常數(shù)ηB ，直流偏置特性DC-Bias，總諧波失真THD Analysis on THD of the fer rite co res u se d i n i nductancShi Yan Nanjing Finemag Technology Co. Ltd., Nanjing 210033 Abstract: Histrory of decreasing THD by improving the ratio loss coefficient and hysteresis constant of soft magnetic ferrite is briefly narrated. The effect of many factors which affect the harmonic wave testing is analysed. The way of improving the performance of ferrite cores is put forward. Key words: ratio loss coefficient，hysteresis constant，DC-Bias，THD 近年來，變壓器生產(chǎn)廠家和軟磁鐵氧體生產(chǎn)廠家，在電感器和變壓器產(chǎn)品的總諧波失真指標(biāo)控制上，進(jìn)行了深入的探討和廣泛的合作，逐步弄清了一些似是而非的問題。從工藝技術(shù)上采取了不少有效措施，促進(jìn)了質(zhì)量問題的迅速解決。本文將就此熱門話題作一些粗淺探討。 一、 歷史回顧 總諧波失真（Total harmonic distortion） ，簡稱THD，并不是什么新的概念，早在幾十年前的載波通信技術(shù)中就已有嚴(yán)格要求<1>。1978年郵電部公布的標(biāo)準(zhǔn)YD/Z17－78“載波用鐵氧體罐形磁心”中，規(guī)定了高μQ材料制作的無中心柱配對罐形磁心詳細(xì)的測試電路和方法。如圖一電路所示，利用LC組成的150KHz低通濾波器在高電平輸入的情況下測量磁心產(chǎn)生的非線性失真。這種相對比較的實用方法，專用于無中心柱配對罐形磁心的諧波衰耗測試。 這種磁心主要用于載波電報、電話設(shè)備的遙測振蕩器和線路放大器系統(tǒng)，其非線性失真有很嚴(yán)格的要求。
圖中 ZD —— QF867 型阻容式載頻振蕩器，輸出阻抗 150Ω， Ld47 —— 47KHz 低通濾波器，阻抗 150Ω，阻帶衰耗大于61dB， Lg88 ——并聯(lián)高低通濾波器，阻抗 150Ω，三次諧波衰耗大于61dB Ld88 ——并聯(lián)高低通濾波器，阻抗 150Ω，三次諧波衰耗大于61dB FD —— 30～50KHz 放大器， 阻抗 150Ω， 增益不小于 43 dB，三次諧波衰耗b3(0)≥91 dB, DP —— Qp373 選頻電平表，輸入高阻抗， L ——被測無心罐形磁心及線圈， C ——聚苯乙烯薄膜電容器CMO-100V-707APF±0.5%,二只。
測量時，所配用線圈應(yīng)用絲包銅電磁線SQJ9×0.12(JB661-75)在直徑為16.1mm的線架上繞制 120 匝， （線架為一格） ， 其空心電感值為 318μH（誤差1％） 被測磁心配對安裝好后，先調(diào)節(jié)振蕩器頻率為 36.6～40KHz， 使輸出電平值為+17.4 dB， 即選頻表在 22′端子測得的主波電平 （P2）為+17.4 dB，然后在33′端子處測得輸出的三次諧波電平（P3）， 則三次諧波衰耗值為：b3(+2)= P2+S+ P3 式中：S 為放大器增益dB 從以往的資料引證， 就可以發(fā)現(xiàn)諧波失真的測量是一項很精細(xì)的工作，其中測量系統(tǒng)的高、低通濾波器，信號源和放大器本身的三次諧波衰耗控制很嚴(yán)，阻抗必須匹配，薄膜電容器的非線性也有相應(yīng)要求。濾波器的電感全由不帶任何磁介質(zhì)的大空心線圈繞成，以保證本身的“潔凈” ，不至于造成對磁心分選的誤判。 為了滿足多路通信整機(jī)的小型化和穩(wěn)定性要求， 必須生產(chǎn)低損耗高穩(wěn)定磁心。上世紀(jì) 70 年代初，1409 所和四機(jī)部、郵電部各廠，從工藝上改變了推板空氣窯燒結(jié)，出窯后經(jīng)真空罐冷卻的落后方式，改用真空爐，并控制燒結(jié)、冷卻氣氛。技術(shù)上采用共沉淀法攻關(guān)試制出了μQ乘積 60 萬和 100 萬的低損耗高穩(wěn)定材料，在此基礎(chǔ)上，還實現(xiàn)了高μ7000～10000材料的突破，從而大大縮短了與國外企業(yè)的技術(shù)差異。當(dāng)時正處于通信技術(shù)由FDM（頻率劃分調(diào)制）向PCM（脈沖編碼調(diào)制） 轉(zhuǎn)換時期， 日本人明石雅夫發(fā)表了μQ乘積125 萬為 0.8×10 ，100KHz）的超優(yōu)鐵氧體材料<3>，其磁滯系數(shù)降為優(yōu)鐵
磁芯電感器的諧波失真分析 摘 要：簡述了改進(jìn)鐵氧體軟磁材料比損耗系數(shù)和磁滯常數(shù)ηB，從而降低總諧波失真THD的歷史過程，分析了諸多因數(shù)對諧波測量的影響，提出了磁心性能的調(diào)控方向。 關(guān)鍵詞：比損耗系數(shù)， 磁滯常數(shù)ηB ，直流偏置特性DC-Bias，總諧波失真THD Analysis on THD of the fer rite co res u se d i n i nductancShi Yan Nanjing Finemag Technology Co. Ltd., Nanjing 210033 Abstract: Histrory of decreasing THD by improving the ratio loss coefficient and hysteresis constant of soft magnetic ferrite is briefly narrated. The effect of many factors which affect the harmonic wave testing is analysed. The way of improving the performance of ferrite cores is put forward. Key words: ratio loss coefficient，hysteresis constant，DC-Bias，THD 近年來，變壓器生產(chǎn)廠家和軟磁鐵氧體生產(chǎn)廠家，在電感器和變壓器產(chǎn)品的總諧波失真指標(biāo)控制上，進(jìn)行了深入的探討和廣泛的合作，逐步弄清了一些似是而非的問題。從工藝技術(shù)上采取了不少有效措施，促進(jìn)了質(zhì)量問題的迅速解決。本文將就此熱門話題作一些粗淺探討。 一、 歷史回顧 總諧波失真（Total harmonic distortion） ，簡稱THD，并不是什么新的概念，早在幾十年前的載波通信技術(shù)中就已有嚴(yán)格要求<1>。1978年郵電部公布的標(biāo)準(zhǔn)YD/Z17－78“載波用鐵氧體罐形磁心”中，規(guī)定了高μQ材料制作的無中心柱配對罐形磁心詳細(xì)的測試電路和方法。如圖一電路所示，利用LC組成的150KHz低通濾波器在高電平輸入的情況下測量磁心產(chǎn)生的非線性失真。這種相對比較的實用方法，專用于無中心柱配對罐形磁心的諧波衰耗測試。 這種磁心主要用于載波電報、電話設(shè)備的遙測振蕩器和線路放大器系統(tǒng)，其非線性失真有很嚴(yán)格的要求。
圖中 ZD —— QF867 型阻容式載頻振蕩器，輸出阻抗 150Ω， Ld47 —— 47KHz 低通濾波器，阻抗 150Ω，阻帶衰耗大于61dB， Lg88 ——并聯(lián)高低通濾波器，阻抗 150Ω，三次諧波衰耗大于61dB Ld88 ——并聯(lián)高低通濾波器，阻抗 150Ω，三次諧波衰耗大于61dB FD —— 30～50KHz 放大器， 阻抗 150Ω， 增益不小于 43 dB，三次諧波衰耗b3(0)≥91 dB, DP —— Qp373 選頻電平表，輸入高阻抗， L ——被測無心罐形磁心及線圈， C ——聚苯乙烯薄膜電容器CMO-100V-707APF±0.5%,二只。
測量時，所配用線圈應(yīng)用絲包銅電磁線SQJ9×0.12(JB661-75)在直徑為16.1mm的線架上繞制 120 匝， （線架為一格） ， 其空心電感值為 318μH（誤差1％） 被測磁心配對安裝好后，先調(diào)節(jié)振蕩器頻率為 36.6～40KHz， 使輸出電平值為+17.4 dB， 即選頻表在 22′端子測得的主波電平 （P2）為+17.4 dB，然后在33′端子處測得輸出的三次諧波電平（P3）， 則三次諧波衰耗值為：b3(+2)= P2+S+ P3 式中：S 為放大器增益dB 從以往的資料引證， 就可以發(fā)現(xiàn)諧波失真的測量是一項很精細(xì)的工作，其中測量系統(tǒng)的高、低通濾波器，信號源和放大器本身的三次諧波衰耗控制很嚴(yán)，阻抗必須匹配，薄膜電容器的非線性也有相應(yīng)要求。濾波器的電感全由不帶任何磁介質(zhì)的大空心線圈繞成，以保證本身的“潔凈” ，不至于造成對磁心分選的誤判。 為了滿足多路通信整機(jī)的小型化和穩(wěn)定性要求， 必須生產(chǎn)低損耗高穩(wěn)定磁心。上世紀(jì) 70 年代初，1409 所和四機(jī)部、郵電部各廠，從工藝上改變了推板空氣窯燒結(jié)，出窯后經(jīng)真空罐冷卻的落后方式，改用真空爐，并控制燒結(jié)、冷卻氣氛。技術(shù)上采用共沉淀法攻關(guān)試制出了μQ乘積 60 萬和 100 萬的低損耗高穩(wěn)定材料，在此基礎(chǔ)上，還實現(xiàn)了高μ7000～10000材料的突破，從而大大縮短了與國外企業(yè)的技術(shù)差異。當(dāng)時正處于通信技術(shù)由FDM（頻率劃分調(diào)制）向PCM（脈沖編碼調(diào)制） 轉(zhuǎn)換時期， 日本人明石雅夫發(fā)表了μQ乘積125 萬為 0.8×10 ，100KHz）的超優(yōu)鐵氧體材料<3>，其磁滯系數(shù)降為優(yōu)鐵
