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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
"
Weaksignal"
meansnotonlysignalamplitudeissmall,andreferstothefloodedsignalbynoise,weaksignalisrelativetonoise.Thepurposeoftheweaksignaldetectionextractedusefulsignalfromstrongnoise,orwithsomenewtechnologyandnewinstrumentstoimprovetheSNRofoutputsignaldetectionsystem.
PrimarymissionofweaksignaldetectionistoimproveSNR.Duetothemeasuredweaksignalissmall,sensors,amplifyingcircuitandtheinherentnoiseofmeasurementinstrumentandoutsidedisturbancenoisearelargerthantheusefulsignalamplitudeoftheoften.Enlargingthemeasuredsignalmeansalsoenlargingnoisesandwilladdsomeextranoise,soonlybytheamplifiercannotdetectiontheweaksignal.Onlyineffectivenoiseconditionssuppressingamplitudeofweaksignalcanextractusefulsignal.
Thispaperstudiesasetdeviceofweaksignaldetection.AD524aspreamplifierisprimarilytoamplifiersignal,thenusesMAX267tofiltersignaltogettheusefulsignal,andusesTLC2652assecondtoamplifier;
Thentheadcconvertsaanaloguesignaltoadigitalsignal,alsousestheUSBcontrollerCY7C68013Aofenhanced8051kernelasthemaincontrollerandcollecteddatawilltransmitthroughUSB2.0implementinghigh-speedreal-timewiththePC;
Anddevisesapowersupplymoduleandmicrocomputerexpansionmodule.
Detectionequipmentofusefulsignalinthebackgroundnoise,whichprovidesastrongmeanstestingformodernscienceandtechnology,andtheindustryandagricultureproduction,applicationscopeisthroughoutalmostallthefieldsofscience.Ithasbecomethecommoninstrumentformodernscienceandtechnology.
Keywords:
weaksignal,noise,signal-to-noiseratio,detectiondevice
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1微弱信号检测装置研究的意义 1
1.2国内外发展概况 2
1.2.1国内检测仪器的发展 2
1.2.2国外检测仪器的发展 2
1.3设计内容 3
第2章噪声概述 4
2.1噪声种类及其特性 4
2.2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 8
3.1微弱信号检测的原理 8
3.2微弱信号检测的方法 8
第4章检测电路总体设计 12
4.1信号调理模块 12
4.2数据采集模块 13
4.3检测电路图 13
第5章微弱信号的采集与调理 15
5.1信号拾取和低噪声前置放大器 15
5.2程控滤波器 17
5.3TLC2652放大器 20
第6章基于USB2.0协议的数据采集装置 23
6.1A/D转换器的选择 23
6.2USB2.0特点 27
6.3CY7C68013A单片机 28
6.4CY7C68013A单片机的外部扩展电路 30
6.5单片机软件编程 35
6.6电源的设计 37
6.6.1稳压电源设计 37
6.6.2各器件的电源 39
第7章CY7C68013A与上位机的通信 41
7.1CY7C68013A固件程序 41
7.2USB驱动程序 41
7.3动态链接库DLL 42
7.4LabVIEW界面应用程序 42
第8章结语 44
参考文献 45
致谢 46
46
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。
1.2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。
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
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