自动化毕业设计论文

基于AD630的微弱信号检测装置的设计

摘 要

本文设计了一个以STM32F407作为控制处理器的微弱信号检测装置，采用AD630

锁相放大技术，结合互相关检测算法，主要解决了微弱信号在强噪声干扰下无法获取的

难题。整个系统包括信号预处理模块、参考信号源模块、互相关检测模块、ADC采样

模块及STM32处理器控制模块五个主要部分。

本文设计的微弱信号检测装置，通过加法器把微弱待测信号和强噪声信号相加，模

拟出信号淹没在强噪声中的微弱信号源；通过带通滤波、程控放大进行预处理后的信号

送入AD630，并进行互相关检测处理；所得信号经过低通滤波后送入ADS1271采样分

析，最后得出待测微弱信号的幅度、相位、频率等信息。实现了在强噪声源幅度为2Vpp

的情况下，20mVpp微弱信号的检测，基本达到本文设计要求。

关键词：微弱信号检测; 互相关检测; STM32F407; ADC采样; AD630

II

Abstract

This paper prents a control processor STM32F407 as weak signal detection device ,

using AD630 lock-in amplifier technology , combined with cross-correlation detection

algorithm theory , mainly to solve the weak signal in strong noi interference can not get the

problem.

目 录

摘 要 .................................................................................................................................. II

Abstract ............................................................................................................................ III

目 录 ................................................................................................................................ IV

第1章 绪 论 .................................................................................................................... 1

1.1概述 ...................................................................................................................... 1

1.2 微弱信号检测技术的发展 ................................................................................. 1

1.3 微弱信号检测技术研究意义 ............................................................................. 2

1.4 课题研究任务及论文结构 ................................................................................. 2

第2章 噪声源分析与检测理论简析 .............................................................................. 3

2.1 噪声简述 ............................................................................................................. 3

2.2微弱信号检测理论简述 ...................................................................................... 3

2.3 取样积分检测理论分析 ..................................................................................... 5

2.4本章小结 .............................................................................................................. 5

第3章 系统方案设计与论证 .......................................................................................... 6

3.1 处理器的选择 ..................................................................................................... 6

3.2检测方法论证 ...................................................................................................... 6

3.3 滤波器方案论证 ................................................................................................. 7

3.4 数据采集方案论证 ............................................................................................. 8

3.5 本章小结 ............................................................................................................. 9

第4章 系统硬件电路设计 ............................................................................................ 10

4.1 系统设计实现方案 ........................................................................................... 10

4.2 噪声环境模拟设计 ........................................................................................... 10

4.3带通滤波设计 .................................................................................................... 11

4.4低噪声放大器设计 ............................................................................................ 12

4.5 锁相放大电路设计 ........................................................................................... 12

4.6 参考信号设计方案 ........................................................................................... 14

4.7后级滤波器电路设计 ........................................................................................ 15

4.8 数据采集电路设计 ........................................................................................... 15

4.9 频率检测电路设计 ........................................................................................... 16

4.10 本章小结 ......................................................................................................... 17

第5章 系统软件设计与实现 ........................................................................................ 18

IV

5.1软件整体方案设计 ............................................................................................ 18

5.2测量频模块程序设计 ........................................................................................ 19

5.3 DDS模块程序设计 ........................................................................................... 20

5.4数据采集程序设计 ............................................................................................ 22

5.5 测量数据分析和测量结果的计算 ................................................................... 23

5.6本章小结 ............................................................................................................ 23

第6章 系统测试方案与总结 ........................................................................................ 24

6.1 测试仪器 ........................................................................................................... 24

6.2 微弱信号检测功能模块测试结果 ................................................................... 24

6.3 待测信号检测参数测试结果 ........................................................................... 25

6.4 总结 ................................................................................................................... 26

致谢 .................................................................................................................................. 27

参考文献 .......................................................................................................................... 28

附 录 ................................................................................................................................ 29

V

第1章 绪 论

1.1概述

随着现代科学技术的发展，信号的传输与获取变得极为普遍，但电磁环境日益复杂，

生活中充斥的干扰信号越来越严重，因此如何从复杂的干扰信号中获取有用信号显得尤

为重要。本论文选取了一个具有代表性的课题——基于AD630的微弱信号检测装置的

设计。

“微弱”是相对于干扰噪声而言。微弱信号需要从两个方面来理解，一是指幅度较

小的信号，二是指淹没在强大干扰噪声中的有用信号。

微弱信号检测的主要目的是从干扰噪声中提取有用信号。由于被测的信号微弱，且

外界干扰噪声的幅度往往比有用信号幅度大，加之信号放大、传输过程中的工频噪声、

机械噪声以及电子噪声等影响，导致微弱信号难以被检测到。因此，微弱信号检测的首

要任务是提高信号信噪比。

微弱信号检测技术是测量技术的一个综合性技术分支，该方法是利用信息论、电子

学以及物理学方法，来分析噪声产生的原因以及出现的规律，研究被测信号的特性，并

且尝试恢复被干扰噪声淹没的微弱信号。

1.2 微弱信号检测技术的发展

微弱信号检测的重点是噪声的抑制以及信噪比的提升。微弱信号检测与一般的检测

技术相比较而言，更加注重对于信号的提取，该检测方式会涉及到更多的传感器相关技

术，以及与其对应的信号转换等理论。

微弱信号检测作为新兴的信号检测与处理技术科学，自60年代初到现在已取得重

大进展，应用范围广泛，其仪器在现代科学领域中变得不可替换。微弱信号检测发展到

今天，已经越来越强调从强噪声源中提取出有用信号，为此需要一些新的方法和技术来

提高检测系统的性能，如相关检测技术、相敏检波、锁相放大等，从而探索出微弱信号

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。

微弱信号检测装置可以通过的互相关检测技术实现。关于低噪声放大器和互相关检

测技术对于微弱信号检测设备的重要性，由多年的经验和推导公式可知，系统的检测技

术和放大器噪声抑制能力将极大的影响系统性能，随着半导体工艺与技术的发展，检测

器和低噪声放大器的性能得到很大的提升，使用的锁相放大器完成正弦信号幅度以及相

位检测的相关检测装置已经得到广泛试用。自1962年第一台仪器问世后，互相关检测

技术在科学研究的各个领域都得到了广泛应用，其设备已经成为信号处理学科中十分重

要的仪器；适用于各个领域，并获得各界的普遍认可。

1.3 微弱信号检测技术研究意义

在一些工程项目和科学研究中，经常会遭遇到强信号掩盖有用信号的情况；如果有

用信号为mV级，将会增加信号检测的难度；比如测定材料分析时检测荧光光强、震源

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。所以微弱信号检测的目的就是提高检测系统的信噪比，从而在强

噪声源中提取出我们所需要的有用信号。

本文的设计将涉及自动化测量控制等领域，其中各种参数的测量将直接关系到工业

生产的质量，尤其对超精密仪器仪表的测量有着重要的影响；假设检测装置位于电源变

压器或者输电线附近，信号的采集将会受到严重的工频电磁波干扰，从而增加了信号的

提取难道。传统传感器测量技术的噪声抑制能力和相关信号检测技术都很难从干扰噪声

中获取有用信号，为此，提高检测技术和抗干扰能力等措施将会得到极大的肯定。微弱

信号检测技术主要针对目前在强噪声环境下信号难以检测提取的问题，提供了先进的检

测技术和可行的检测方案，这将会使得微弱信号的检测更加容易实现。系统的研究同时

也具有广泛的实用价值和真实意义。

1.4 课题研究任务及论文结构

课题研究了基于AD630的微弱信号检测装置，采用STM32F407作为控制和处理核

心，外部信号处理使用了高精度ADC转换器，在锁相放大与互相关检测技术的理论支

持下，完成微弱信号的提取；设计了硬件电路，完成了数据的采集与分析。最后计算出

微弱信号的幅度和频率特性参数。

本文具体内容安排如下：

第一章主要介绍了微弱信号检测技术研究的背景、发展现状以及研究意义；同时对

本文研究的主要工作进行了说明。

第二章主要分析了噪声信号源、检测技术理论等内容，从理论上保证系统设计的可

行性。

第三章主要分析并确定了系统主要模块的设计方案，包括处理器选择、检测方案论

证、ADC转换等模块。

第四章主要介绍了系统工作框图以及各个硬件模块的实现方案，包括信号预处理模

块、参考信号源模块、互相关检测模块、ADC采样模块及STM32处理器控制模块。

第五章主要介绍了系统的软件实现过程，自相关算法设计，高精度ADC数据转换

原理。

第六章主要包括整个系统的测试和总结，分析了信号处理的滤波器参数，参考信号

第2章 噪声源分析与检测理论简析

2.1 噪声简述

通常物体在做无规则运动时发出的声音通常称之为噪声，但噪声其实是一个相对概

念：物体振动产生的声音以一种波的形式在介质中传播，当其开始对周围的环境和人产

生影响的时候，就形成了噪声。

我们所说的噪声污染在一般意义上是指对人的影响，而本文所讨论的噪声，主要是

指电路内部存在的固有噪声以及外部的干扰噪声，主要是指对信号的影响。

数字信号处理过程中，基本上每一个阶段都会有噪声的出现，最终得到的往往是信

号与噪声叠加以后的效果，因此对于噪声的处理，可以在各个阶段进行，也可以在最后

统一处理。在此前提下，我们必须了解噪声的产生以及类别，才能准确得到噪声处理的

方法。

噪声主要分为两类：内部噪声和外部噪声。

内部噪声主要有光电基本性质引起的噪声、器材材料引起的噪声、电器机械运动引

起的噪声和系统内部设备电路引发的噪声等四个方面，内部噪声大部分又被称之为固有

噪声。

外部噪声为系统受到外部干扰后，以电磁波形式引起的噪声，比如：天体放电、电

气设备等引发的噪声。

[1]

噪声的种类有很多种，有电子噪声，主要通过磁场、电场或者电磁场产生；有电噪

声，通过器件机械振动产生的机械干扰；有热电势噪声，因为温度的随机波动随机产生

的；也有50Hz的工频干扰噪声等，噪声存在于电路的每一个环节中。

2.2微弱信号检测理论简述

相关检测技术是根据应用信号的周期性和噪声随机性等特点，经过互相关或自相关

的运算方法，以达到将噪声去除的一种信号检测技术。相关理论是根据信号和噪声相互

独立的特征，再根据相关函数以及相关函数的定义，即信号只与其本身信号相关，而与

噪声不相关，同时噪声和噪声之间也不会是相关的，因此可以通过相关算法求得我们所

需信号。

自相关理论分析

周期函数的自相关函数其实就是具有与原函数相同周期的函数；即同一时间函数在

瞬时t和的两个值相乘积的平均值作为延迟时间t的函数，它是信号与延迟后信号

ta

之间相似性的度量。延迟时间为零时，则成为信号的均方值，此时它的值最大。自相关

函数描绘了某一信号波形与它时移后的波形的相似程度。不同类型的信号或其组合，它

们的自相关函数具有不同的特征。周期信号的自相关函数，仍为同周期的周期函数，而

随机信号当τ→∞ 时，

R()0(0)

xx



自相关检测原理框图如图2.1所示

x(t)s(t)n(t)

iii

乘法器



R()

xn



延时

图2.1 自相关检测原理框图

互相关理论分析

将频率相同的两个周期信号作互相关处理，不仅可以保留同频，还可以保留相位信

息。不同频率的周期信号则是不相关的，因此设计可以将同一频率的参考信号与被测信

号进行互相关处理，因为噪声等干扰信号和参考信号有着不同的频率，这样可以得到消

除干扰后的被测信号，并获取我们所需的幅值和相位信息。相关性即两组随机信号之间

的一般依赖关系，可以用互相关函数来描述。互相关测量如图2.2，互相关函数如2.1

公式所示。在一对时间历程样本记录X (t)和Y (t)中，对于X (t)在时刻t的值和Y (t) 在

t+τ 时刻的值之间的相关性，可在观察时间T上对这两个值的乘积做平均运算，并取

其极限，得互相关函数为公式（2.1）：

[2]

R()limX(t)Y(t)dt

XY





（2.1）

T

o

T

x(t)s(t)n(t)

R()

xy



乘法

积分器

y(t)

延时

图2.2 互相关检测原理框图

互相关函数描绘了信号 X (t )与 Y (t )作τ时移后的 Y (t +τ)间的波形相似程度，

与互相关函数曲线峰值对应的τ值反应了此时 X(t)与 Y(t+τ)波形最为相似以及两信

号间的滞后时间。

4

2.3 取样积分检测理论分析

前面我们分析了相关方法检测，除了相关方法检测之外，也可以使用取样积分法检

测。为提取在噪声中迅速变化的微弱信号，需要将每个信号的周期分成若干个等分的时

间间隔；接着对这些信号进行取样处理，同时将每个周期中位于相同位置的取样值进行

积分处理。积分电路可以通过硬件模拟实现，这就是取样积分。其原图框图将如图2.3

所示。r(t)为参考信号，其频率与s(t)相同。经过延时一段时间后形成取样脉冲，延时时

间为，脉冲将对取样开关S进行操作，实现对输入信号的取样。时

t

0

x(t)s(t)n(t)

间每隔一个周期T就将进行取样一次，这样就能在电容上获得信号的积分。

x(t)s(t)n(t)

C

r(t)

延时t 取样脉冲形成

图2.3 积分取样原理框图

2.4本章小结

在这一章中，我们仔细的讨论了噪声的来源、类型以及其带来的影响；之后我们分

析了微弱信号检测的几种常见方法，其分别有自相关、互相关、取样积分等；这为我们

系统后面的设计打下了坚实的理论基础，为后期设计方案的选取与定型做了铺垫。

5

第3章 系统方案设计与论证

3.1 处理器的选择

方案一：MSP430低功耗单片机

采用MSP430单片机做前级信号放大滤波处理控制，同时在后期将输入模拟信号进

行采样提取，并在内部做数据分析和输出，在输出端配用外置存储器和液晶显示器等。

方案二：STM32F407嵌入式处理器

采用STM32F407做前级信号放大滤波处理控制，同时在后期将输入模拟信号进行

采样提取，并在内部做数据分析以及相关的算法运算和输出，在输入端配置ADC转换

器，在输出端配用外置存储器和液晶显示器等。

方案比较：

方案一使用的MSP430单片机是一款面向低功耗的微型处理器，现在市场已经比较

成熟，其内部资源配备有1KB至256KB的ISP闪存，有的存储空间已达16KB，并且

种类齐全，供我们选择的种类引脚有14-113脚的选项；内部有自带12位及其以上的ADC

转换器，同时也可以外接我们所需要的显示器类型。但是MSP430单片机在数据处理速

度以及系统控制深度上还有一定的缺陷，本文设计的作品需要比较高的数据处理和分析

速度，在综合比较了MSP430的其他相关性能以后，发现本套系统不适用于本文的设计

方案。

方案二使用我们比较熟悉的嵌入式操作系统，即STM32F407系列处理器。ST公司

产品中STM32F407系统是一款32位的处理器，内核更新至Cortex-M4，其片上系统资

源极为丰富。相比较单片机处理器系列而言，嵌入式处理器的处理速度将会快很多，能

够完成本设计的相关算法和计算处理，在数据采集、分析、处理等方面有着其固有的优

势。同时可以在外配置高清晰度的TFT液晶显示器，能更加直观明了的显示我们所需要

的结果。

综合以上分析，我们决定使用ST公司的STM32F407作为本设计的核心控制处理器。

3.2检测方法论证

方案一：自相关检测

自相关检检测技术是将信号与信号本身进行相乘，其原理为同一时间函数在瞬时t

和t+a的两个值相乘积的平均值作为延迟时间t的函数，它是信号与延迟后信号之间相

似性的度量；为消除相位影响，参考信号需要相移。

90



方案二：互相关检测。

在互相关检测的原理中，我们需要将检测信号与参考信号进行相乘、积分等处理；

6

但是参考信号不需要是其本身信号，我们主要保证参考信号与检测信号的频率相同即

可。

方案三：取样积分检测

取样积分检测，其原理为提取在噪声中迅速变化的微弱信号，需要将每个信号的周

期分成若干等分的时间间隔；接着对这些信号进行取样处理，同时将每个周期中位于相

同位置的取样值进行积分处理。通过开关S对信号进行周期性的开关采样，然后在电容

C上进行积分，得到我们所需检测信号的预处理数据。

方案比较：

取样积分检测需要自己设计积分器、脉冲产生控制器、取样控制开关等电路，系统

设计比较复杂，同时由于我们对取样积分的理论掌握不够透彻，因此将不考虑使用取样

积分检测。

在使用相关检测时，我们主要探讨了系统研究的范围，假如使用自相关检测技术，

在对参考信号进行设计时需要对其进行移相处理，对一个移相网络做到设计移相并

90



不是太难，但是这只是针对单一频率而已，不同的频率我们需要调节不同的参数才能达

到所需的移相效果，这样的调试较为麻烦，而且不适合本系统的设计要求。在使用互相

关检测的时候我们则不需要对信号进行移相处理，因为系统的设计可以针对已知频率的

信号提取，如果是未知频率的信号，也可以使用一个频率测试电路检测出待测信号的频

率，并使用DDS直接频率合成技术产生我们所需要的自相关参考信号，信道的相位和

幅度数都可以设计得到，能够完全满足我们系统设计的要求。综合以上考虑，系统将互

相关检测技术。

3.3 滤波器方案论证

方案一：运放构成模拟滤波器

系统可以根据设计要求设计滤波器，使用滤波器软件FilterPro可以设计出不同参数

情况下的滤波器，由于此方案使用简单运放构成模拟滤波器，参数方便且设计可调。

方案二：使用高集成度的程控滤波器芯片

在这个设计中，因为对噪声的信号源是未知的，所以可以选用程控滤波器来完成设

计的前级信号滤波器处理，凌力尔特生产的TLC1068系列滤波芯片将满足系统设计的

需要。

方案三：使用MCU内部构成的数字滤波器

在STM32F407自带ADC的情况下，设计可以直接使用其内部ADC对数据进行采

集，同时由于处理器内部资源足够充分，系统还可以在处理器内部设计数字FIR、IIR

滤波器。

方案比较：

7

方案一使用运放构成的模拟滤波器可以通过修改参数达到设计的要求，同时，如果

需要提高滤波器的性能，增加滤波器阶数是比较方便可行的，运放做滤波器的设计核心

具有通用性，可替换的芯片产品比较多。因此，系统设计将考虑使用简单运放构成的模

拟滤波器。

方案二使用的高集成度程控滤波器性能比较优越，一块芯片能够实现8阶以上的滤

波器指标，并且程序控制方便可靠；但是它也存在固有缺陷，即使用范围有限，由于外

围配置电路非常简单，因此滤波器的使用频率范围将会受到一定的限制，同时也存在高

通和低通分开使用不同芯片的情况；这与本文的设计并不是十分吻合，因此将舍弃这套

滤波器设计方案。

方案三的滤波器设计方案简单且可行，外部硬件电路较少且设计简单，只需对输入

处理器AD的信号进行预处理即可，但是通过项目的经验积累，我们得出的结论是，数

字滤波器在设计理论上和模拟滤波器一样，但是如果输入的信号比较混杂，那么数字滤

波器采样之后滤波的效果将不会体现其优势，在其设计性能上还不如简单的模拟滤波器

稳定可靠，因此将舍弃数字滤波器设计方案。

综上所述，系统设计将采用比较简单且实际可行，同时又满足我们系统设计要求的

模拟滤波器。

3.4 数据采集方案论证

方案一：选用STM32F407内部自带的ADC

由ST公司推出的STM32F4系列微控制器自带了3个12位ADC转换器，转换最

高频率均可达2.4MHz。其中ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器，具有16个外部

通道。

方案二：选用正负输入的ADS8505数模转换器

ADS8505数模转换器的采样位数为16位，采样率为250KSPS；但是它的优点在于

可以正负值输入，标准输入值为V；

10

方案三：选用差分输入的ADS1271数模转换器

ADS1271数模转换器拥有24位的转换精度，交流输入带宽可达51K；采样率为

105KSPS，其信噪比非常高，大概值为109dB，温漂和增益漂移都比较小。它采用了差

分输入方式，提供了共模抑制比以及信号通道的输入范围。

方案比较：

方案一使用STM32内部的ADC转换器设计实现比较简单，且外围电路设计方便；

但是在微弱信号检测中，需要对采样的信号进行高精度分析处理，因此需要比较精确的

采样数值，STM32内部的ADC转换器只有12位，在除去无效位后，其真实采样位数

不到11位，同时考虑输入信号有正负值的情况，还需要将信号进行偏置处理，这将增

8

加系统的设计复杂度。因为，在本系统设计中将舍弃这个方案。

方案二转换精度有16位，同时可以做到V信号输入，不需要考虑信号偏置问

10

题，采样率为250KSPS也能满足系统设计的需要；由于微弱信号检测经过处理后的信

号将会是一个直流信号，因此需要更高精度的ADC转换器，16位在一定条件下满足系

统的设计需要，但是为了使系统指标做得更好，我们将舍弃这个设计方案。

方案三最大的优点在于它拥有24位的转换精度，而且信噪比高；如果设计采用差

分信号输入，还将可以避免信号偏置问题，从而提高系统性能指标；线性相位反应的

ADC转换器在精度、速度、输入范围等多方面满足系统设计的需求，因此，综合考虑

以上所有指标和参数，系统设计将选择ADS1271作为ADC转换采集器。

3.5 本章小结

在本章中，详细的讨论了系统设计的核心模块方案，包括是处理器选取、检测方案

的设计、滤波器模块选取、数据转换器的方案分析等；本章在对核心模块进行了分析之

后，得到了一个比较全面可行的设计方案，同时为后阶段的硬件电路设计指明了方向。

9

第4章 系统硬件电路设计

4.1 系统设计实现方案

本系统设计流程如图4.1所示，系统首先要模拟出一个强噪声淹没的微弱信号源，

因此需要一个加法器电路将待测信号与噪声相加，同时考虑到本文设计要求中的微弱信

号源为mV甚至uV级，所以需要先对信号进行衰减，衰减倍数应该设计在100倍左右。

接着系统将通过放大电路对信号进行放大处理，以便系统提取出待测信号的相关信息，

滤波器的使用将滤除有用信号之外的频率信号；处理后的信号通过AD630进行互相关

检测处理。AD630内部集成了互相关检测电路设计，有相敏检波器、乘法器等模块；设

计中，使用两片AD630模块，使相位相差的参考信号分别与其相乘处理。然后将两

90



路所得信号经由低通滤波器后送入ADS1271进行数据采样后，在STM32内部进行数据

分析，最后得出检测信号的幅度、相位、频率信息。其中，根据设计需求，DDS产生的

两路参考信号相位差为，并把两路参考信号送入AD630与待测信号进行互相关。设

90



计中，系统考虑的是有用信号频率未知的情况，如果信号频率已知，则不需要添加频率

测试电路。

Vin2

衰前带

加

B

法

Vo1 Vo2

减置通

网放滤

Vin1

器

C D

络 大 波

A

DDS参考信号源

A

D

转

换 低通滤波

Vo3

E

Vo4

F

图4.1 系统框图

噪声源 AD630

锁相放大

AD630

锁相放大

检测信号

频率检测 STM32

液晶显示

处理器

低通滤波

4.2 噪声环境模拟设计

在这个模拟环境设计中，设计拥有一个白噪声源，其幅度在2Vpp左右，因此相对

mV甚至uV级信号而言，这将是一个比较大的噪声源。在设计过程中，需要选取符合

10

设计要求的待测信号幅度，以模拟出微弱信号噪声源。

设计使用简单的加法器电路将噪声源和有用信号相加实现信号与噪声的混叠效果；

加法器用低噪声运放NE5532来实现，其输出信号为：

Vo(1)(Vin1Vin2)

R7

R9

（4.1）

在公式(4.1)中Vin1和Vin2分别为待测信号与噪声信号。设计中，在加法器后面将

所需信号进行100倍的衰减来得到我们比较微弱的信号源；这样我们就从理论上的设计

满足了我们所需的微弱信号。后面所接的放大电路只是对系统即将处理的微弱信号做了

一个放大预处理，以使得滤波电路性能更佳。

图4.2 加法器电路

4.3带通滤波设计

带通滤波器的设计使用软件FilterPro；可以通过运放构成两阶带通参数来实现，也

可以通过两个运放构成的四阶带通滤波器实现；本电路的设计是采用两个运放组成的低

通和高通来构成的带通滤波器；从理论分析得出：使用的低通滤波器阶数越高，滤出的

有用信号受到的干扰越小。但是考虑到阶数越高带来的设计与调试问题，最终选取的是

两阶带通滤波器。实践证明，在后阶段使用的AD630锁相放大的电路原理中，滤波器

的阶数并不是影响系统性能的最主要指标。

设计使用的低通加高通构成带通的设计方案，在调试和参数修改等方面都有着其独

到的优势，且芯片NE5532是一款低噪声的双通道滤波器，在市场上很容易找到代替品，

因此系统的滤波器设计具有很强的通用性以及实用性。

11

图4.3 带通滤波器电路

4.4低噪声放大器设计

为了使信号在锁相放大系统中能够很好的体现AD630的性能，设计将适当的对信

号进行放大处理，NE5532构成的固定增益放大将有效地提高了信号的输入幅度，并且

带入的噪声较小；加入的一级程控放大电路，使用PGA203可以实现放大倍数1至8倍

的可调放大；PGA203也是一款性价比较高的程控放大器，其共模抑制比CMRR最小可

达80dB，基准电流最大也只有50pA，并且具有反应速度快等优势；

程控放大器加固定增益模式使系统设计的放大电路性能变得更好，能够在信号大小

不同的情况下进行模式切换，为后面信号的锁相放大提供了较好的输入信号源。

图4.4 低噪声放大器电路

4.5 锁相放大电路设计

根据AD630的数据手册分析，它作为一款高性能的调制调解器，具有良好的锁相

放大功能，能够复原位于100dB噪声信号中的有用信号，且通道信号频率高到2MHz，

压摆率为45V/us，这些数据说明AD630的处理速度快，能够在系统中完成设计指标。

为了实现微弱信号提取，系统设计采用了比较经典的双锁相放大设计；其原理分析

如下：

12

设计中，假定待测信号Vin1为，噪声信号Vin2为，由DDS产生

Asin(t)



n(t)

的参考信号源为，参考信号源的幅值是已知的；将两路信号分别通入

Bsin(t)



B

AD630中，在其相敏检测环节中进行相乘运算，得出的结果为：

1

AB[cos()cos(2t)]n(t)Bsin(t)



（4.2）

2

在公式（4.2）中，第一项值是直流分量成分，幅值大小和两个信号的幅值以及相位

差的余弦成正比；第二项则为待测信号的倍频信号，与待测信号一起进入乘法器的噪声

也要和参考信号相乘，结果的值都为交流信号。只要后级的低通滤波器

n(t)Bsin(t)



做得足够好，会很容将这些交流信号滤除，最后只会剩余直流信号，即是

[3]

1



)cos(

也会是；只要两个信号的初始相位和是已知的，则

ABcos()







2

恒定不变的。由于参考信号的幅值是可以确定的，因此，将很容易得到待测信号的幅

B

值A。

但是在单通道中很难做到的恒定，也就需要参考信号也与被测信号的相

cos()



位相同，这样，为了消除的值带来的不定影响，设计需要对参考信号做的相移





90



来作为第二通道的参考信号，这样通过双通道的锁相放大就能很容易的实现动态测量幅

值和相位。

双锁相放大器的两个通道电路设计参数完全相同，参考信号则由DDS产生同频且

相位差为的两个信号，两路信号将在两个AD630 的相关器中进行检波，两通道

90



AD630的输出信号分别为：

Vo0.5ABcos()



(4.3)

Voo0.5ABsin()



(4.4)

解出后得到:

22

VVV

ooo

(4.5)



arctan

Voo

(4.6)

Vo

在设计中只需要将两通道AD630锁相相关后得出的信号送入后级设计的ADC采样转

换系统即可。

13

4.6 参考信号设计方案

技术将很方便实现两路信号的幅度和相位可调。

是正弦波信号，在AD9854的输出后级加入了椭圆滤波，将会得到更好的输出波形。

频率范围为 0～100MHz ；并且可以产生完全正交的正弦波信号。系统需要产生的信号

路不同类型的均可。在DDS选型中，AD9854具有300MHz时钟速率；同时芯片有着高性

的模拟输出。AD9854的频率控制字为48位，具有14位相位调制和补偿能力 ；芯片供

不同频率、不同波形信号的一种频率合成方法。使用其并行方式产生可需要的信号，双

电采用单电源3.3 V。同时AD9854具有比较宽的频带输出，其正常工作时能输出的信号

的两路参考信号，考虑到移相网络针对单一频率的问题，所以用DDS直接数字频率合成

能的12位DAC和高速数据比较器，芯片的无杂散动态范围SFDR在100MHz时为80分贝

14

图4.5 AD630锁相放大电路

DDS即是直接数字频率合成技术；根据系统要求，需要给两路AD630提供相位差为

直接数字频率合成采用的是数字化技术，通过控制相位的变化速度，直接产生各种

图4.6 DDS参考信号源

4.7后级滤波器电路设计

在AD630的锁相放大环节中介绍了锁相放大之后的波形，根性理论分析，需要一

个比较窄的低通滤波器来滤除相乘后的单频和倍频信号，以便于提取所需要的直流分

量。

在设计中，依旧使用FilterPro滤波设计软件来设计我们需要的滤波器；考虑到滤波

后数据采集问题，将采用运放构成了两阶低通滤波器，低通滤波截止频率小于10Hz；

同时，根据采样后的波形及数据分析，还可以更改滤波器的设计参数，包括阶数和截止

频率参数。

图4.7 后级滤波电路

4.8 数据采集电路设计

数据采集是系统设计的核心部分，需要采集比较精确的直流信号成分才能提高系统

的设计指标，因此，ADC转换器将变得十分重要；在论文的前章阐述中已经详细地比

较了ADC转换器的选型及其性能指标，在这里我们将进一步阐述系统的核心转换器

ADS1271的工作原理。

ADS1271的主要特性如下：

·105kSPS的数据速率；

·交流特性：51KHz的带宽，109dB的SNR，-108dBTHD；

·直流精度特性：1.8μV /°C的失调漂移，2ppm / ° C增益漂移；

·工作模式：①高速： 105kSPS的数据速率；②高分辨率：109分贝信噪比；低功

率：35MW耗散；

·具有掉电控制功能；

·数字滤波器：线性相位反应；通带纹波： ± 0.005分贝；阻带衰减度：100dB；

·内部偏移校准命令控制；

·可选的SPI或帧同步串行接口；

·温度工作范围：从-40°C至+105 °C ；

15

4.9 频率检测电路设计

输入的幅值增益也可以得到控制。

专用型电压比较器芯片来实现信号的频率检测。

后，系统将由STM32控制AD9851直接输出两路符合要求的参考信号。

速率上都能满足设计需求，并且能很好的体现其性能，从而提高系统指标。

下，设计采用3.3V供电将会使输出信号直接输入处理器进行测频处理；得出信号频率

仅需要用DDS直接产生参考信号即可；考虑到信号频率的单一性，设计使用的是一款

信号的共模性能，同时差分输入可以不需要去考虑信号存在的直流分量问题，并且信号

ADC数据采集，差分共模电压有ADS1271芯片内部输出提供，这在很大程度上提高了

直流偏置、迟滞比较等设计理念，在保证TLV3501在3.3V供电范围能正常工作的情况

16

·模拟供电电压5V，数字供电电压为1.8V-3.3V；

根据ADS1271的基本性能指标，本方案将采用交流差分输入的设计方式来实现

图4.8 ADS1271数据采集电路

LV3501是一款4.5ns轨至轨高速电压比较器，电路设计增加了电压输入保护、信号

系统主要采集的是直流成分信号，因此，24位的Delta-Sigma 型ADC在精度以及

频率未知的情况，需要使用频率检测电路来测量待测信号频率；而在频率已知时，

4.10 本章小结

以及频率测量电路都做了分析，完整地体现了系统设计的硬件模块。

以及其实现方案，并对系统的滤波放大、AD630锁相放大、ADC转换、DDS信号产生

17

图4.9 频率检测电路

本章从整体构架到每个模块的功能实现都做了详细的分析；阐述了系统的原理框图

第5章 系统软件设计与实现

5.1软件整体方案设计

系统的软件设计主要包括：测量所需的驱动程序设计、数据分析的算法程序设计以

及显示界面的设计。系统运行时，首先初始化A9854、ADS1271、测频和显示模块，使

其工作在正常状态，若发现某个模块工作不正常，则显示相应的错误信息。正常情况下，

初始化完后，系统显示测量界面并进入测量模式。在该模式下，系统按照预定的测量步

骤依次完成测量工作，最后显示测量值。若用户没按hold键，则延时2s后进入下一次

的测量。图5.1为软件设计总体运行流程图。

开始

系统底层初始化

显示测量界面

1

测量微弱信号源的频率Fs

设置DDS的频率为Fs

延时等待AD630的锁相稳定

延时2s

启动ADC采集两路锁相输出

等待Hold键松开

NO

数据分析

Hold键按下

Yes

显示微弱信号的峰峰值

图5.1为软件设计总体运行流程图

18

5.2测量频模块程序设计

本设计的频率测量模块由信号预处理和1s定时的脉冲计数组成。信号预处理电路

前面已有详细的阐述，本节只阐述1s定时的脉冲计数的软件设计。

在STM32F04芯片内部中有多个灵活可配置的定时器，其局部结构图如图5.2所示。

图5.2 定时器局部结构图

从图中可看到，TIMx_ETR是可配置成定时器的时钟输入端。因此我们将一个定时

器计数时钟配置成TIMx_ETR输入时钟，并用另外一个1s定时的定时器控制这个定时

器的启动与停止，即可实现1s定时的脉冲计数。根据频率的定义式可知，这个1s定时

的脉冲计数值，即为测量信号的频率值。具体实现的程序流程图如图5.3所示。

开始

定时器1设置成1s定

时，门控定时器2

定时器1设置成外部时钟计数

模式，并受控于定时器1

同时启动定时器1和2

等待1s定时到达

读取定时器2的计数值，

即输入信号的频率值

关闭定时器1和2

结束

图5.3 测频流程图

19

/

/ 定时器时钟时能

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM8, ENABLE);

TIM__Period=0xFFFF; // 初始值装载最大值

TIM__Prescaler=0; // 输入时钟不分

// 计数方式，向上计数

TIM__CounterMode=TIM_CounterMode_Up;

// 定时器参数初始化

TIM_TimeBaInit(TIM8, &TIM_TimeBaStructure);

// 时能定时器更新中断

NVIC__IRQChannel = TIM8_UP_TIM13_IRQn;

NVIC__IRQChannelPreemptionPriority = 0; // 抢占优先级高

NVIC__IRQChannelSubPriority = 2; // 子优先级中

NVIC__IRQChannelCmd = ENABLE; // 定时器更新中断

// 初始化中断向量

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

// 使能定时器更新中断

TIM_ITConfig(TIM8, TIM_IT_Update, ENABLE);

// 选择外部时钟输入模式

TIM_ETRClockMode1Config(TIM8, TIM_ExtTRGPSC_OFF, TIM_ExtTRGPolarity_Inverted,

0);

TIM_Cmd(TIM8, ENABLE); // 使能定时器

TIM_ClearITPendingBit(TIM8, TIM_IT_Update); // 清楚更新中断

5.3 DDS模块程序设计

DDS模块采用AD9854核心器件，其数据传输方式有并行高速模式和串行传输模

式，本设计主要是产生和测量信号同频率的正交信号，控制的实时性不是很强，因此系

统采用串行数据传输模式，以节省I/O的开销。同时它具有五种控制模式，分别是

Single-Tone、FSK、Ramped FSK、Chirp以其BPSK。其中Single-Tone是最基本的一种

模式，这种模式可任意设定输出信号的频率、幅度与相位值等参数。因此根据系统需求，

本设计将AD9854设置成Single-Tone工作模式。

本设计采用的是串行通信，读写操作的接口由SDO、SDIO、SCLK、CS和Update

Clock构成。具体操作时序如图5.4和5.5所示

20

图5.4 串行写时序图

图5.5 串行读时序图

AD9854的初始化程序：

// 先禁止读写，防止错误的操作导致配置不对，而使AD9854的功耗过高

AD9854_WR=1;AD9854_RD=1;

// 复位AD9854

AD9854_RESET=1; Delay(1000); AD9854_RESET=0;Delay(1000);

// 打开比较器 0x10 为关闭比较器

AD9854_WriteReg(AD9854_REG_CTRL3, 0x10 );

// 设置锁相环

AD9854_SetPLL(AD9854_ClkMult);

// 0:单信号模式 1: 无斜率FSK 2: 斜率FSK 3: 脉冲调频 4: BPS

AD9854_SetMode(0);

// (第6位 Bypass inv sinv(:打开旁路)第五位 OSK EN(0:打开旁路)）

AD9854_WriteReg(AD9854_REG_CTRL0,0x60);

21

5.4数据采集程序设计

本系统的数据采样，必须在同一个时刻将Vo3和Vo4两路信号采集到。由于

ADS1271是单路输入，因此本系统需使用两片ADS1271芯片。为了保证它们直接的同

步采样，本设计采用同一个时钟源作为它们的系统时钟。同时，在软件的接口设计上，

也采样菊花链的数据传输方式，其连接图如图5.6所示。

图5.6 ADS1271菊花链连接方式图

当采集完一次数据后，数据采样完成标志线DRDY产生下降沿，下降沿触发单片

机产生数据读取中断信号，进入中断后单片机启动数据读取操作，具体实现的时序图如

图5.7所示。

图5.7 读数据操作时序图

因为单次采样计算的测量结果容易受尖脉冲干扰等噪声的干扰，因此在一次的测量

过程中，本系统采用多次采样求平均的方式进行数据的滤波。

开始

读取Vo3的数字值存于缓存1

启动ADS1217

读取Vo4的数字值存于缓存2

DRDY下降沿？

NO

缓存满？

Yes

进入中断

采样完成标志位置1

退出中断

退出中断

22

结束

图5.8 双通道数据采样流程图

5.5 测量数据分析和测量结果的计算

由4.5式知，测量结果直接为Vo3和Vo4的电压值平方和开根号得到。考虑的到采

样时可能有毛刺噪声，本系统采用平均值滤波法，即将N个测量结果进行比较，去掉其

中的最大值和最小值，然后对剩余的数据求平均值，以保证测量结果准确性。具体实现

核心程序如下：

// 将采样得到的数字量，根据ADC位数和参考电压，变换成模拟电压值。

for(i=0;i

{

// ADC的位数为24位，支持正负电压输入，参考电压为2.54V

input_A[i]= Sample_in1[i] *2.54f/ 8388607.0f; // Vo3 输入信号变换

input_B[i]= Sample_in1 [i]* 2.54f/8388607.0f; // Vo4 输入信号变换

}

// 计算单次采样的测量结果值

for(i=0;i

// 选择排序，以去掉最大值和最小值

Select_Sort(Result,Sample_N);

// 计算测量结果的平均值

arm_mean_f32(&Result[1],Sample_N-2,&Vpp);

// 还原放大之前的电压值

Vpp=Vpp/Amp_k;

// 测量结果采用mV表示

Vpp=Vpp*1000;

// 在液晶屏的第4行，12列显示测量结果，显示值保留3位小数

LCD_Display_FloatNum(Line(4),Column(12),Vpp,3);

5.6本章小结

本章从系统软件分析与实现的角度来阐述了软件实现过程，包括了ADC数据转换

控制、DDS参考信号产生、相关检测算法分析等模块。从软件控制和数据分析运算实现

了系统最后的信号提取。

23

第6章 系统测试方案与总结

6.1 测试仪器

测试仪器：FLUKE 17B数字万用表、RIGOL DS6064数字存储示波器、SU3080 DDS

函数信号发生器80MHz。

6.2 微弱信号检测功能模块测试结果

1、信号预处理部分参数测试

噪声信号的幅度为2Vpp，加法器实现带宽为10MHz，衰减网络10dB衰减；带通

滤波器及低通滤波器测试结果如下。

根据实际情况需要，我们设计的带通滤波器参数为200Hz-10KHz；滤波器数据记录

如下，由下表中我们可以发现，带通滤波器的参数指标符合设计需求。

表6.1 带通滤波器测试结果

输入频率（Hz） 200 2K 10K

输入幅度（mV） 100 500 1000 100 500 1000 100 500 1000

输出幅度（mV） 71 355 720 100 500 1000 72 360 718

4、低通滤波器测试参数：低通滤波器设计位于AD630锁相放大之后，低通滤波器

的参数直接影响着ADC采样数据已经处理器的计算数据处理，为此，根据实际情况需

要，我们设计的带通滤波器参数的截止频率为10Hz；滤波器数据记录如下，由下表中

我们可以发现，低通滤波器的参数指标符合设计需求。

表6.2 低通滤波器测试结果

输入频率（Hz） 5 10 200

输入幅度（mV） 100 500 1000 100 500 1000 100 500 1000

输出幅度（mV） 30 150 450 70 368 728 100 500 1000

5、DDS产生参考信号源频率与幅度稳定度指标

为了保证AD630锁相放大器的参数性能以及理论计算的可靠性，我们需要保证

DDS产生的信号源是符合设计要求的，因此我们需要检查参考信号的频率和幅度；同时

还需要精准的双路参考信号相位参数，这是我们系统功能实现的重要部分。根据测量结

果如下所示，各测试所需频率点的相位误差绝对值≤5°，幅度平衡误差≤5%，两通道信

号输出的相位差≤5%；符合预期的设计要求。

24

表6.3 参考信号相位误差和幅度、频率误差测量

理

论

值

实

际

值

频率（Hz） 200 500 1K 2K 10K

幅度（mV） 500 1000 500 1000 500 1000 500 1000 500 1000

通

频率（Hz） 200 500 1K 2K 10K

道

1

道

2

幅度（mV） 510 1050 515 1030 518 1020 510 1012 508 1025

200 500 1K 2K 10K 频率（Hz）

通

幅度（mV） 510 1050 515 1030 518 1020 510 1012 508 1025

90 89 91 88 89 两通道相位差(°)

6.3 待测信号检测参数测试结果

1、基本功能测试

在这一部分中我们将首先对微弱信号检测的基本功能进行数据测试，这一部分中测

试将固定输入频率为1KHz，通过改变待测信号的峰峰值来检测其性能；待测信号输入

峰峰值为200mVpp-2Vpp之间，通过数据分析，我们得出系统设计基本符合预期设计要

求。

表6.4 单频基本参数数据测试

输入频率（Hz）

输入幅度（mV）

检测幅度（mV）

误差（%）

1K 1K 1K 1K 1K 1K

200 500 800 1000 1500 2000

202 508 801 1004 1506 2010

1 1.6 0.123 0.4 0.4 0.5

2、扩展功能测试

在这一部分，我们将提供比较全面的系统测试参数，频率工作范围将由固定值改变

为不定点频率参数。针对外部环境可能存在的环境，我们需要对不同频率值的待测信号

进行数据分析测试，这将符合我们设计对不同频率的要求；频率测试范围为

100Hz-2KHz，待测信号的峰峰值将设计为20mVpp-2Vpp；系统将进一步提高设计指标，

并检测其可行性。通过数据结论分析，我们可以看出，系统参数指标基本符合设计要求。

25

表6.5 多频多点数据测试

输入频率（Hz）

输入幅度（mV）

检测幅度（mV）

误差（%）

输入频率（Hz）

输入幅度（mV）

检测幅度（mV）

误差（%）

100 500 800

20 50 500 20 50 500 20 50 500

20.5 50.8 504 20.4 50.6 500 19.6 49.5 502

2.5 1.6 0.8 2 1.2 0 2 1 0.4

20 50 500 20 50 500 20 50 500

19.8 49.6 502 20.3 51 507 20.5 50.8 500

1 0.8 0.4 1.5 2 1.4 2.5 1.6 0

1K 1.5K 2K

6.4 总结

本文设计了一个微弱信号检测装置，实现了对强噪声淹没下的微弱信号提取；系统

设计过程包括检测理论分析、系统实现方案论证、硬件模块电路设计、软件模块设计、

系统调试与数据测试等；

在数据检测分析中，相关检测算法实现变得十分重要，通过AD630的锁相检测技

术，进一步了解了微弱信号检测的技术核心；在信号检测中，噪声源显得十分重要，提

取强噪声源下的有用信号时提高信噪比是重要的途径之一。系统设计的微弱信号检测装

置的各项功能指标和测试精度均满足设计要求，根据测试数据显示可知，系统可以提取

2Vpp噪声源下的20mVpp有用信号，并具有比较宽的频带范围。

强噪声源下的微弱信号研究是一个具有广泛应用价值的研究课题，在经过设计微弱

信号检测装置后，对噪声中信号的提取有了一定的认识。

26

致谢

四年的大学生活将伴随着毕业设计的完成而结束，在这期间，学习是主要任务，因

此在大学四年当中，我通过不断的学习，增长了自己的科学理论知识，也锻炼了自己的

动手能力，更重要的是学会了如何做人。

毕业设计作为一项综合性课题研究，其包含了所学知识应用、调试动手能力的锻炼；

真正意义上做到实践与理论相结合。毕业设计能够顺利完成，首先得感谢培养了无数优

秀学子的创新基地和创新基地的陈松老师，是创新基地给了我大学三年的学习锻炼平

台，是陈老师的谆谆教诲使我们有了一次又一次的提升。

湖南理工学院不止是一个美丽的校园，同时也会是莘莘学子腾飞的起点；感谢自己

在大学期间遇到过的每一位老师，您们都是认真、优秀、负责任的辛勤园丁，是你们为

我们无尽的付出才使得我们大学有所收获，人生有所成长，生活更为精彩。

同时，我还要感谢我的队友们，因为一路有了你们的相伴，我的大学生活变得更加

充实且有意义；感谢你们的帮助，使我在经历坎坷时能够从容面对；因为有你们一起风

雨同舟，我们的大学竞赛历程也画上了圆满的句号。

最后，要感谢湖南理工学院这四年来对我的栽培和父母在我求学过程中的关怀与鼓

参考文献

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[2] 韩伟.电力电缆故障分析与测距研究.燕山大学,2006年

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[4] 李长城, 电力电缆故障分析与故障点定位研究.东北大学.2009

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北京：电子工业出版社，2011

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2007.

[13] 包敬民,李向仓.微弱信号的检测技术.现代电子技术.2006.

28

29

附 录

图1 AD630检测电路原理图

图2 AD630检测电路PCB图

30

图 3 AD9854参考信号原理图

图 4 AD9854的PCB图

31

图5 主控模块的原理图

图 6 主控模块的PCB图