隨著科學技術的發展，電子系統類產品越來越多地滲透到人們的生活當中，而一個電子系統中，往往帶有大量的白噪聲，這些白噪聲的取值恰好符合高斯分布。從噪聲掩蓋的信號中檢測并提取各種微弱信號(如弱光、小位移、微振動、微應變、微溫差、低電平電壓等)越來越受到人們的重視。微弱信號檢測技術是采用電子學、信息論、計算機及物理學的方法，分析噪聲產生的原因和規律，研究被測信號的特點與相關性，檢測被噪聲淹沒的微弱有用信號。微弱信號檢測的目的是從強噪聲中提取有用的信號，或用一些新技術和新方法來提高檢測系統輸出信號的信噪比[1]。對微弱信號檢測理論的研究、探索新的微弱信號檢測方法、研制新的微弱信號檢測設備是目前檢測技術領域的研究熱點。

1 測試需求分析
    在隨機強噪聲背景下，已知正弦微弱信號的頻率為1 kHz，幅度峰峰值在20 mV~2 V范圍，正弦波信號源可以由函數信號發生器來代替；而隨機強噪聲用標準噪聲文件，噪聲均方根電壓值固定為1 V±0.1 V。設輸入信號為VS，隨機噪聲為VN，加法器輸出為VC=VS+VN，要求加法器輸出通過衰減系數不小于100的純電阻網絡后進行檢測并給予顯示。由于信號幅值比較小，經過100倍的衰減后將變得更加微弱，所以要經過放大，信號和噪聲的分離、信號檢測關鍵在于濾波器和放大器的設計。本裝置的設計思路是，先將衰減后混合信號經前級放大器放大[1-2]后，再經過5階巴特沃斯帶通濾波器濾波[1]，濾除得到300 Hz~3.4 kHz信號，輸入模擬乘法器實現的鎖相放大檢測信號電路[1，3]，再由集成濾波器MAX297構成的低通濾波器得到小信號，經過AD采樣后，通過TI的小開發板Launchpad控制顯示。模擬乘法器的參考信號由MSP430F449編程產生，已知信號的頻率為1 000 Hz，而本方案中需要產生1 000.2 Hz的參考信號，可通過在單片機內部存放波表，通過I/O口將波表數據輸出給D/A器件，實現數/模轉換[1，4]。
2 總體設計
    該裝置測試系統加法器實現兩路信號疊加，模擬產生混疊信號，純電阻分壓衰減的是淹沒的正弦信號，最后提取得到的信號與Vs對比。其中帶通濾波器為5階巴特沃斯有源濾波器，用UA741實現，乘法器用MPY634實現。需要一個標準的參考信號，用MSP430單片機產生。對于后級的低通濾波器要求比較高，要求截止頻率為0.3 Hz，低通濾波器的輸出信號加到ADS1115模/數轉換器進行A/D轉換，并由Launchpad控制顯示。
3 主要硬件模塊設計
3.1 加法器設計
    加法器電路[2]采用低噪聲運放AD604。AD604是一款超低噪聲、精度極高、雙通道、線性dB可變增益放大器(VGA)，針對超聲應用中基于時間的可變增益控制進行了優化，但同樣支持任何要求低噪聲、寬帶寬、可變增益控制的應用。AD604的每個通道均提供300 k?贅輸入電阻和單極性增益控制，使用方便。微弱正弦信號VS與強噪聲信號VN分別經一個10 kΩ電阻在AD604的同相端相加，模擬產生混疊信號。
3.2 小信號放大器設計
    由于對微弱信號的獲取和幅值測量很難實現，因此需要先對該信號進行放大后再對信號進行相應的處理。
    小信號放大電路[1-2]如圖1所示，采用TI出品的一款極低噪音頻雙運放放大器OPA2134，輸出信號帶寬為8 MHz，滿足系統中對輸入信號帶寬的要求；輸入阻抗為3.3 MHz。小信號放大電路的放大倍數為100～120倍，輸入放大電路的微弱正弦信號經放大電路放大后，為后面的檢測和測量提供方便。

3.3 鎖相環電路設計
    鎖相放大電路檢測微弱信號的原理是基于信號和噪聲在相關特性方面的差別。它起到了一個極窄的帶通濾波器的作用(而不是普通濾波器)。本裝置中用模擬乘法器實現鎖相放大[1，3]。

3.4 低通濾波器的設計
    由于乘法器的輸出有兩個頻率0.2 Hz和2 000.2 Hz，而需要的是0.2 Hz的信號，故采用濾波法。一般的濾波器很難做到這么低的截止頻率，選擇集成濾波器芯片MAX297[1]。MAX297是一款8階低通橢圓開關電容濾波器[2]，時鐘可調轉角頻率范圍為0.1 Hz～50 kHz，時鐘頻率比為50:1。現在需要0.3 Hz截止頻率的濾波器，于是輸入的時鐘頻率就是15 Hz，由MSP430F449的精確定時器產生。MAX297的電路圖如圖4所示。

4 測試系統軟件設計
    本裝置選用TI器件LaunchPad和單片機最小系統板做主控制器件，LaunchPad負責絕大部分控制信號，MSP430F449最小系統板用于存放波表和控制D/A輸出頻率，并利用其精準的定時器產生15 Hz的方波信號用于MAX297的時鐘。LaunchPad負責本系統中的A/D轉換檢波、數據處理和數據顯示[5]。由于ADS1115是串行數據傳輸，速度比較慢，故放在主函數中一直進行采樣，通過配置寄存器使LCD1602等時間地刷新顯示。軟件流程圖如圖5所示。

5 實驗應用
    用于測試的主要儀器：雙蹤數字存儲示波器，型號為TEKTRONIX TDS1002；直流穩壓穩流電源，型號為SG1733-
SB3A；20 MHz函數信號發生器，型號為ROGOL DG1022，輸入的正弦信號頻率為1 kHz，峰峰值為20 mV~2 V。實驗測得的數據如表1所示。

    從實驗數據看，誤差約4.2%。由于電路焊接和器件的各種誤差，對于淹沒的小信號的提取效果較好，而且這個誤差還可以進一步減小，關鍵在于產生的1 000.2 Hz參考信號的頻率能否穩定以及濾波器的選定。因為濾波器的截止頻率很低，所以對濾波器的要求很高。本系統提取小信號的思想也可以擴展到其他領域。實際應用表明，該裝置具有測試準確、穩定可靠的特點。
參考文獻
[1] 黃根春，周立青，張望先.全國大學生電子設計競賽教程——基于TI器件的設計方法[M].北京：電子工業出版社，2011.
[2] 董尚斌，蘇利，代永紅.電子線路（I）[M].北京：清華大學出版社，2008.
[3] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽電路設計(第二版)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2011.
[4] 黃根春，張望先.電子設計教程[M].北京：電子工業出版社，2007.
[5] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與運用[M].北京：清華大學出版社，2010.