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摘 要：随着我国新时代科学技术发展的不断推进，我国信号检测技术也在不断发展，但是在微弱信号检测方面，我国现有信号检测技术还存在一定的不足，需要得到相关科研部门的高度重视，也需要经过相关科研人员的进一步改进，以期我国新时代微弱信号检测技术能够满足新时代经济建设的发展需求，使我国新时代综合科技能力稳步提升。本文重点对我国现阶段的微弱信号检测装置的设计进行探讨和分析，并提出相应的设计方案以供广大信号检测技术研究人员的参考，以期为我国微弱信号检测技术做出积极贡献。
关键词：微弱信号;信号检测;装置;设计
微弱信号检测（ Weak Signal Detection） 是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。其仪器已成为现代科学研究中不可缺少的设备。微弱信号检测技术是使用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，检测被噪声淹没的微弱有用信号。
一、微弱信号检测技术的相关概述
随着我国新时代科学技术和社会主义生产力的飞速发展，各种对于数据精确度要求较高的物理量的微小变化需要得到及时的测量，比如一些微弱风电流、电压，或者一些微小的温度变化和磁场、振动等，有些微弱信号往往处于一些极端的条件下，这些微弱信号的测量同样十分重要。
在通常情况下，很多的非电量微小物理变化都可以通过特定的传感器经过一系列的转变变为电信号，达到了对微小信号放大的目的，进而进行进一步的显示和记录。但是在实际的应用过程中，这些较为微小的物理量变化即使通过传感器转换也是十分微弱的，二对于这些微弱信号新进行检测的时候，干扰和噪声往往会成为主要的矛盾所在，在基本的科学认识中，物质一般是由院子或者分子等带电粒子所组成，物质若长期存在于一定的温度环境或者其他条件之中时，带电粒子往往会发生热扰动，进而会产生一定的热噪声造成干扰;除此之外，电子电路中的各个电子元件，尤其是半导体器件之中的载流子在再生、复合的过程中会产生一系列的噪声，最为突出的还有依附于半导体器件表面状态的影响的闪烁噪声，还有一些光所产生的量子噪声等等。这些噪声在实际的检测过程中往往会体现为一些噪声电压对检测造成干扰，使微弱信号在这些干扰性的噪声电压中被掩盖。
除了以上所述的几种噪声干扰之外，在实际的检测过程中也会有一些人为造成的干扰或者自然界固有条件造成的干扰，这些噪声与干扰主要是来自于检测系统的外部，在实际的检测操作之中可以运用一些电磁屏蔽技术将检测系统之中的一系列干扰和噪声进行阻隔，使干扰和噪声的影响尽量降到最低。虽然在理论上可以一次方式对检测系统进行改良，但是在实际的检测工作中如果要完全消除或者隔绝这些干扰和噪声是非常难的。而微弱信号检测技术就是对研究和生产过程中的微小变化量进行记录、观察和研究，并从技术层面尽量解决实际检测过程中产生的一系列干扰和噪声对于微弱信号的影响问题。若想在实际检测工作中有效解决干扰和噪声带来的一系列问题就要从微弱信号检测的基础开始研究，在实际的微弱信号检测工作中，放大器或者微弱信号检测系统的机车检测任务就是在检测过程中在众多干扰和噪声中寻找出所需要的微弱信号并进行有效放大。但是在实际操作中，现阶段一般被用于微弱信号检测的放大器并不能将微弱信号从干扰和噪声之中单独放大出来，它往往会把噪声和干扰一并放大，从而根本无法进行有效的检测，在检测中，只有能将信号放大到与噪声和干扰区分开来的放大器才能作为实际检测中有用的工具。如果干扰和噪声在放大的过程中无法与微弱信号区分开或者依然大于微弱信号使微弱信号被掩盖掉，即使不对放大器本身产生的噪声和干扰进行考虑，也不过只能维持放大器中的输入端信噪比，这种放大器并没有以微弱信号与噪声和干扰的基本特性为出发点，只以信号与噪声的特性平均功率作为基本的区分方式，只有充分以微弱信号与噪声和干扰的基本特性为出发点，使微弱信号与噪声和干妹妹绕之间区分开来，才能在实际的检测工作中在噪声和干扰中检测微弱信号。现代微弱信号检测技术得到了很大的发展，尤其在新时代电子技术的高速发展下为微弱信号检测技术的发展提供了基础的物质条件。
二、关于微弱信号检測技术相关原理
对噪声的处理在实际的检测过程中是十分重要的，对于微弱信号的实际检测来说，如果能够有效减轻噪声影响，就可以进一步的提高信号检测系统总体的灵敏度。接下来主要介绍的是锁相放大法。
相敏检波器（phase sensitive detector，简称PSD）作为锁相放大法的核心部分实际上是一种乘法器。经滤波器后，原本加在输入端的信号加到来哦PSD的一个输入端。并且一个与被测信号频率相同的正弦波（或方波）信号也在PSD的参考输入端进行加入。
在正常的检测工作之中，通常参考信号的被测信号的频率与基波频率是基本相等的。此时输出的PSD信号中含有一定的直流成分，经过低通的滤波器处理后，从PSD输出的信号中，交流成分被处理掉，只有直流成分会被顺利的输出，而它的大小一般与参考信号和输入信号的实际相位差有很大关联。
基于由DDS产生的正弦参考信号与被测信号间的相位差未知，可以增加移相电路，将参考信号分解为同相和正交分量，分别与被测信号相乘。
假设他们之间相位差为φ。正交分量与被测信号相乘后，经过低通滤波，得到直流分量。与同相分量和被测信号相乘的结果平方再相加开方后，即可得到与被测信号的幅值成正比的直流分量。
双路锁相放大法的优点非常明显，输出信号与相位差无关，可以得到稳定的直流分量，测量精度可以很高。基于此，本文所介绍的微弱信号检测装置使用这种方法来实现。
在实际计算中，相关人员可以先将测量信号设置为Asin（ωt+α），将噪声设置为n（t）。因为要测量的幅度A很小，因此常常被周围的噪声所淹没。为了提取信号，必须提供其幅度B被确定的相同频率的正弦信号Bsin（ωt+β）。两个信号到达乘法器并执行操作。结果为ABcos（α-β）-cos（2ωt+α+β）+n（t）Bsin（ωt+β）（1）式中，第一项是直流分量，其大小与两个信号的幅度和相位差的余弦成正比;第二项是待测信号的双频信号;第三项是将与待测信号和参考信号同时进入乘法器的噪声相乘的结果，几乎所有这些都是AC信号。因为可以使低通滤波器的通带变窄，因此可以通过低通滤波器滤除将要测试的信号的双频信号与乘以参考信号的噪声相乘的结果。仅剩下直流信号，即ABcos（α-β）。只要两个信号的初相位α和β是已知的，则cos（α-β）是恒定的。因为确定了参考信号的幅度B，因此容易获得待测信号的幅度A，从而实现弱信号的检测。 加法器电路主要被用于被测信号和噪声源在检测过程中的有效合成，在实际设计中主要要求“加法器的输出VC =VS+VN”，相关科研工作者可以考虑以下的两种方案实现加法器电路功能：
如果使用同相求和的运算电路，那么因为同相求和运算电路各个输入电压的系数涉及电路中所有电阻，其中有一些电阻的取值之间存在互相制约的关系，调试工作在实际操作中较为复杂，在一般的微弱信号检测工程上很少得到使用，所以使用反相求和运算电路。相较于同相求和运算电路，反相求和运算电路在调试和设计方面更加的便捷简单。芯片在实际的设计过程中则主要选用TI公司的OPA134精密运放芯片。
纯电阻的分压网络在实际的检测工作中用于被测信号和噪声源的缩减，使后级的电路能够得到一定的微弱信号，在实际的设计中主要要求“纯电阻分压网络的衰减系数不可以低于100”，也就是说衰减增益应当尽量大于或等于40 dB。所使用π型衰减网络能够有效实现对Vc一百倍的衰减。纯电阻的分压网络不仅可以有效实现精确的衰减并且有足够优秀的阻抗匹配特性，对前后级还有一定的隔离作用。元器件的最佳选用精度一般是0.1%的高精密电阻。
微弱信号检测电路的主要部分电路在实际运用中主要有两个作用：一个是滤除噪声，有利于对有用信号的获得;第二个就是可以放大微弱信号，弥补在前级所发生的信号衰减，给后级的幅值测量提供大信号。因为在设计前提所制定的噪声是非常大的，所以选用的滤波器必须要拥有较为优秀的窄带滤波性能。一般在通常情况下使用高阶的巴特沃斯滤波器。由于考虑到具体设计要求的高陡降系数，所以必须使用阶数较高的几种滤波器。使用各种音频分析软件对提前给定的噪声文件进行有效的、详细的分析，可以得知该噪声文件的左声道中心频率约为11.8 kHz，右声道中心频率约为15 kHz，通过示波器粗测，该噪声的频率通常在4.5 kHz以上，而被测信号的频率范围为500～2 000 Hz。若选择2 kHz为低通滤波器的截止频率，在4.5 kHz频率处衰减50 dB，使用这些公式进行计算可以得到，使用七阶（或以上）的滤波器可以满足要求。
三、微弱信号检测实验
根据以上所述的原理，相关设计人员可以在LabVIEW软件中对微弱信号检测系统进行相应的实验设计。将待测信号的频率设置为1KHz，幅度为1mV，噪声（假设噪声是具有普遍意义的高斯白噪声）也是1mV。
在实际微弱信号检测实验的对于数据采集的具体要求是：电压的分辨率要达到基础的40 μV，电流的分辨率基本上要达到1 μA，误差尽量不能大于0.1%，信号数量是9路热电偶信号和1路电流型温度传感器信号，采集频率20 Hz，数据采集系统工作所要求的温度范围一般为-55～125 ℃。因为传感器所在的环境较为恶劣，微弱信号在进行传输的过程中经常会受到一系列情况复杂的电磁干扰。
参考信号的频率在设置时必须要与待测的信号要基本相同，参考信号的频率的幅度可以自由进行设置，此处大致设置为10V。两个信号的最初始的相位都设置为0，并且已知cos（α-β）=1，输出结果为AB。模拟信号是待测信号，以下模拟信号2是参考信号。两个信号通过乘法器并进入低通滤波器。低通滤波数据分别进入数据显示窗口和波形显示窗口。在进入数据显示窗口之前，数据被扩展了1000次以供显示。另外，乘法器的输出直接发送到波形显示帧，以便观察乘法器的输出。本部分电路有两大作用：滤除噪声，便于有用信号的提取;放大信号以弥补前一级的衰减，并为随后的幅度测量提供大信号。因为设计前提给出的噪声很大，所选滤波器必须具有极窄的滤波器性能。使用高阶巴特沃斯滤波器。因为设计要求的高陡下降因素，必须使用高阶滤波器。通过音频分析软件分析给定的噪声文件，知道噪声文件的左声道中心频率约为11.8kHz。右声道的中心频率约为15kHz，噪声频率通常高于4.5kHz。而被测信号的频率范围为500～2000Hz。如果选择2kHz作为低通滤波器的截止频率，则在4.5kHz时衰减50dB。通过公式计算，使用七阶（或以上）滤波器来满足要求。
四、总体设计方案
在本文中，锁相放大方法用于放大和检测与待检测信号中的参考信号同步的信号。即使有用信号浸没在噪声信号中，只要知道有用信号的频率值，就可以精确地测量信号的幅度。它的輸出是与输入波形幅度成比例的直流信号。
前置放大器模块使用INA118芯片，具有精度高，功耗低，共模抑制比高的优点，适用于各种小信号的放大。锁相放大模块使用专用的相敏检测芯片AD630，然后使用低通滤波器实现滤波，由ADS8505模块采样，最后使用液晶显示测量数据。
五、主要部分电路实现
（一）参考信号通道电路
该模块的主要功能是将不同频率的参考信号相移90°。如果使用简单的RC串联移相电路，因为相移θ=tan-1ωRC，对于不同频率的信号，R和C参数需要不断变化，这对调整工作非常不方便。因此，本文使用差分电路来实现相移特性。
该功能可以通过使用通用单运放芯片OPA227实现。因此对于大于1kHz的信号取R=1K，C=0.1uF，小于等于1kHz的信号，取R=1k，C=1uF，并通过开关控制切换RC值。
（二）相敏检波器电路
相敏检测电路使用两个AD630芯片。低通滤波器连接到两个输出中的每一个以产生所需的DC分量。
六、测试方案与测试结果
（一）测试方法
1、参考信号和要测量的信号由数字信号发生器F120产生，并且使用给定的标准噪声（wav文件）产生噪声源。噪声文件通过MP3播放，噪声源从音频输出端口获得。
2、将生成的参考信号输入参考信号通道，待测信号和噪声输入系统的输入端。
3、改变被测信号的幅度并观察测量值。 4、同时改变参考信号和测量信号的频率值，并观察测量值。
（二）测试结果
在测试之后，检测设备可以识别从100Hz到1MHz的正弦波信号频率范围。可以被识别的最小信号幅度可以达到20mV。此时，动态储备（DynamicReserve）可以达到37dB（噪声源输出的均方根电压值为1V±0.1V）。这里，动态储备被定义为最大限度噪声与轨到轨信号的比率（测量精度小于3%）。
七、程序设计
在实际设计过程中，显示部分主要是基于CCS系统和TIM430G2552芯片开发的。16位M430G2552芯片可快速处理大量数据，同时还具有低功耗和丰富的片上资源。这里使用AD637进行均方根测量，这是一种高精度有效值转换器。其使用的方法及使用过程中的调整都十分简便，而且在较短的稳定时间下他能得出精准的读数，通过它可以得到每种波形的真有效值。平均电容CAv是其唯一的外部调节元件，它影响稳定时间输出所需的时间，低频测量的精度和输出纹波。ADS7816是AD采样部分使用的仪器。图形和中文字符的显示由12864完成，内置8192个16*16点汉字。因为在兼具接口方式多样操作简单的情况下，它的电压和功耗都很低。软件设计完成的主要部分包括系统初始化，AD采样使能，M430G2552数据处理，幅度LCD显示和简易延迟功能。显示部分是基于TIM430G2552芯片和CCS系统开发。M430G2552是16位，具有高处理能力、快速运算速度、超低功耗和丰富的资源特点。
八、总结
随着我国新时代科学技术的不断发展，我国微弱信号检测装置的设计与探索也取得了很大的成就，广大相关科研工作者应当对此拥有足够的重视，以期为我国新时代微弱信号检测装置的进一步发展提供有效助力。对于微弱信号检测方面的电子设备系统的设计，必须要经过严格的、合理的计算论证和方案分析，还要经过一系列严格的测试和细致的调试，才有可能成为一个能夠稳定工作的性能优越的系统。
参考文献：
[1]赵庭兵，曾曾.光电检测系统的微弱信号采集与检测[J].激光杂志，2018，39（11）：158-161.
[2]石兆羽，杨绍普，赵志宏.基于耦合混沌振子的微弱信号检测[J/OL].石家庄铁道大学学报（自然科学版）：1-7[2018-12-18].
[3]郭雷宇.关于微弱电信号的信息融合检测探讨[J].山东工业技术，2018（23）：114.
[4]杨鹏飞，肖鹏，张诸宇，张胜.一种基于锁定放大器的微弱信号检测方法[J].无线电通信技术，2018，44（06）：597-600.
关键词：微弱信号;信号检测;装置;设计
微弱信号检测（ Weak Signal Detection） 是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。其仪器已成为现代科学研究中不可缺少的设备。微弱信号检测技术是使用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，检测被噪声淹没的微弱有用信号。
一、微弱信号检测技术的相关概述
随着我国新时代科学技术和社会主义生产力的飞速发展，各种对于数据精确度要求较高的物理量的微小变化需要得到及时的测量，比如一些微弱风电流、电压，或者一些微小的温度变化和磁场、振动等，有些微弱信号往往处于一些极端的条件下，这些微弱信号的测量同样十分重要。
在通常情况下，很多的非电量微小物理变化都可以通过特定的传感器经过一系列的转变变为电信号，达到了对微小信号放大的目的，进而进行进一步的显示和记录。但是在实际的应用过程中，这些较为微小的物理量变化即使通过传感器转换也是十分微弱的，二对于这些微弱信号新进行检测的时候，干扰和噪声往往会成为主要的矛盾所在，在基本的科学认识中，物质一般是由院子或者分子等带电粒子所组成，物质若长期存在于一定的温度环境或者其他条件之中时，带电粒子往往会发生热扰动，进而会产生一定的热噪声造成干扰;除此之外，电子电路中的各个电子元件，尤其是半导体器件之中的载流子在再生、复合的过程中会产生一系列的噪声，最为突出的还有依附于半导体器件表面状态的影响的闪烁噪声，还有一些光所产生的量子噪声等等。这些噪声在实际的检测过程中往往会体现为一些噪声电压对检测造成干扰，使微弱信号在这些干扰性的噪声电压中被掩盖。
除了以上所述的几种噪声干扰之外，在实际的检测过程中也会有一些人为造成的干扰或者自然界固有条件造成的干扰，这些噪声与干扰主要是来自于检测系统的外部，在实际的检测操作之中可以运用一些电磁屏蔽技术将检测系统之中的一系列干扰和噪声进行阻隔，使干扰和噪声的影响尽量降到最低。虽然在理论上可以一次方式对检测系统进行改良，但是在实际的检测工作中如果要完全消除或者隔绝这些干扰和噪声是非常难的。而微弱信号检测技术就是对研究和生产过程中的微小变化量进行记录、观察和研究，并从技术层面尽量解决实际检测过程中产生的一系列干扰和噪声对于微弱信号的影响问题。若想在实际检测工作中有效解决干扰和噪声带来的一系列问题就要从微弱信号检测的基础开始研究，在实际的微弱信号检测工作中，放大器或者微弱信号检测系统的机车检测任务就是在检测过程中在众多干扰和噪声中寻找出所需要的微弱信号并进行有效放大。但是在实际操作中，现阶段一般被用于微弱信号检测的放大器并不能将微弱信号从干扰和噪声之中单独放大出来，它往往会把噪声和干扰一并放大，从而根本无法进行有效的检测，在检测中，只有能将信号放大到与噪声和干扰区分开来的放大器才能作为实际检测中有用的工具。如果干扰和噪声在放大的过程中无法与微弱信号区分开或者依然大于微弱信号使微弱信号被掩盖掉，即使不对放大器本身产生的噪声和干扰进行考虑，也不过只能维持放大器中的输入端信噪比，这种放大器并没有以微弱信号与噪声和干扰的基本特性为出发点，只以信号与噪声的特性平均功率作为基本的区分方式，只有充分以微弱信号与噪声和干扰的基本特性为出发点，使微弱信号与噪声和干妹妹绕之间区分开来，才能在实际的检测工作中在噪声和干扰中检测微弱信号。现代微弱信号检测技术得到了很大的发展，尤其在新时代电子技术的高速发展下为微弱信号检测技术的发展提供了基础的物质条件。
二、关于微弱信号检測技术相关原理
对噪声的处理在实际的检测过程中是十分重要的，对于微弱信号的实际检测来说，如果能够有效减轻噪声影响，就可以进一步的提高信号检测系统总体的灵敏度。接下来主要介绍的是锁相放大法。
相敏检波器（phase sensitive detector，简称PSD）作为锁相放大法的核心部分实际上是一种乘法器。经滤波器后，原本加在输入端的信号加到来哦PSD的一个输入端。并且一个与被测信号频率相同的正弦波（或方波）信号也在PSD的参考输入端进行加入。
在正常的检测工作之中，通常参考信号的被测信号的频率与基波频率是基本相等的。此时输出的PSD信号中含有一定的直流成分，经过低通的滤波器处理后，从PSD输出的信号中，交流成分被处理掉，只有直流成分会被顺利的输出，而它的大小一般与参考信号和输入信号的实际相位差有很大关联。
基于由DDS产生的正弦参考信号与被测信号间的相位差未知，可以增加移相电路，将参考信号分解为同相和正交分量，分别与被测信号相乘。
假设他们之间相位差为φ。正交分量与被测信号相乘后，经过低通滤波，得到直流分量。与同相分量和被测信号相乘的结果平方再相加开方后，即可得到与被测信号的幅值成正比的直流分量。
双路锁相放大法的优点非常明显，输出信号与相位差无关，可以得到稳定的直流分量，测量精度可以很高。基于此，本文所介绍的微弱信号检测装置使用这种方法来实现。
在实际计算中，相关人员可以先将测量信号设置为Asin（ωt+α），将噪声设置为n（t）。因为要测量的幅度A很小，因此常常被周围的噪声所淹没。为了提取信号，必须提供其幅度B被确定的相同频率的正弦信号Bsin（ωt+β）。两个信号到达乘法器并执行操作。结果为ABcos（α-β）-cos（2ωt+α+β）+n（t）Bsin（ωt+β）（1）式中，第一项是直流分量，其大小与两个信号的幅度和相位差的余弦成正比;第二项是待测信号的双频信号;第三项是将与待测信号和参考信号同时进入乘法器的噪声相乘的结果，几乎所有这些都是AC信号。因为可以使低通滤波器的通带变窄，因此可以通过低通滤波器滤除将要测试的信号的双频信号与乘以参考信号的噪声相乘的结果。仅剩下直流信号，即ABcos（α-β）。只要两个信号的初相位α和β是已知的，则cos（α-β）是恒定的。因为确定了参考信号的幅度B，因此容易获得待测信号的幅度A，从而实现弱信号的检测。 加法器电路主要被用于被测信号和噪声源在检测过程中的有效合成，在实际设计中主要要求“加法器的输出VC =VS+VN”，相关科研工作者可以考虑以下的两种方案实现加法器电路功能：
如果使用同相求和的运算电路，那么因为同相求和运算电路各个输入电压的系数涉及电路中所有电阻，其中有一些电阻的取值之间存在互相制约的关系，调试工作在实际操作中较为复杂，在一般的微弱信号检测工程上很少得到使用，所以使用反相求和运算电路。相较于同相求和运算电路，反相求和运算电路在调试和设计方面更加的便捷简单。芯片在实际的设计过程中则主要选用TI公司的OPA134精密运放芯片。
纯电阻的分压网络在实际的检测工作中用于被测信号和噪声源的缩减，使后级的电路能够得到一定的微弱信号，在实际的设计中主要要求“纯电阻分压网络的衰减系数不可以低于100”，也就是说衰减增益应当尽量大于或等于40 dB。所使用π型衰减网络能够有效实现对Vc一百倍的衰减。纯电阻的分压网络不仅可以有效实现精确的衰减并且有足够优秀的阻抗匹配特性，对前后级还有一定的隔离作用。元器件的最佳选用精度一般是0.1%的高精密电阻。
微弱信号检测电路的主要部分电路在实际运用中主要有两个作用：一个是滤除噪声，有利于对有用信号的获得;第二个就是可以放大微弱信号，弥补在前级所发生的信号衰减，给后级的幅值测量提供大信号。因为在设计前提所制定的噪声是非常大的，所以选用的滤波器必须要拥有较为优秀的窄带滤波性能。一般在通常情况下使用高阶的巴特沃斯滤波器。由于考虑到具体设计要求的高陡降系数，所以必须使用阶数较高的几种滤波器。使用各种音频分析软件对提前给定的噪声文件进行有效的、详细的分析，可以得知该噪声文件的左声道中心频率约为11.8 kHz，右声道中心频率约为15 kHz，通过示波器粗测，该噪声的频率通常在4.5 kHz以上，而被测信号的频率范围为500～2 000 Hz。若选择2 kHz为低通滤波器的截止频率，在4.5 kHz频率处衰减50 dB，使用这些公式进行计算可以得到，使用七阶（或以上）的滤波器可以满足要求。
三、微弱信号检测实验
根据以上所述的原理，相关设计人员可以在LabVIEW软件中对微弱信号检测系统进行相应的实验设计。将待测信号的频率设置为1KHz，幅度为1mV，噪声（假设噪声是具有普遍意义的高斯白噪声）也是1mV。
在实际微弱信号检测实验的对于数据采集的具体要求是：电压的分辨率要达到基础的40 μV，电流的分辨率基本上要达到1 μA，误差尽量不能大于0.1%，信号数量是9路热电偶信号和1路电流型温度传感器信号，采集频率20 Hz，数据采集系统工作所要求的温度范围一般为-55～125 ℃。因为传感器所在的环境较为恶劣，微弱信号在进行传输的过程中经常会受到一系列情况复杂的电磁干扰。
参考信号的频率在设置时必须要与待测的信号要基本相同，参考信号的频率的幅度可以自由进行设置，此处大致设置为10V。两个信号的最初始的相位都设置为0，并且已知cos（α-β）=1，输出结果为AB。模拟信号是待测信号，以下模拟信号2是参考信号。两个信号通过乘法器并进入低通滤波器。低通滤波数据分别进入数据显示窗口和波形显示窗口。在进入数据显示窗口之前，数据被扩展了1000次以供显示。另外，乘法器的输出直接发送到波形显示帧，以便观察乘法器的输出。本部分电路有两大作用：滤除噪声，便于有用信号的提取;放大信号以弥补前一级的衰减，并为随后的幅度测量提供大信号。因为设计前提给出的噪声很大，所选滤波器必须具有极窄的滤波器性能。使用高阶巴特沃斯滤波器。因为设计要求的高陡下降因素，必须使用高阶滤波器。通过音频分析软件分析给定的噪声文件，知道噪声文件的左声道中心频率约为11.8kHz。右声道的中心频率约为15kHz，噪声频率通常高于4.5kHz。而被测信号的频率范围为500～2000Hz。如果选择2kHz作为低通滤波器的截止频率，则在4.5kHz时衰减50dB。通过公式计算，使用七阶（或以上）滤波器来满足要求。
四、总体设计方案
在本文中，锁相放大方法用于放大和检测与待检测信号中的参考信号同步的信号。即使有用信号浸没在噪声信号中，只要知道有用信号的频率值，就可以精确地测量信号的幅度。它的輸出是与输入波形幅度成比例的直流信号。
前置放大器模块使用INA118芯片，具有精度高，功耗低，共模抑制比高的优点，适用于各种小信号的放大。锁相放大模块使用专用的相敏检测芯片AD630，然后使用低通滤波器实现滤波，由ADS8505模块采样，最后使用液晶显示测量数据。
五、主要部分电路实现
（一）参考信号通道电路
该模块的主要功能是将不同频率的参考信号相移90°。如果使用简单的RC串联移相电路，因为相移θ=tan-1ωRC，对于不同频率的信号，R和C参数需要不断变化，这对调整工作非常不方便。因此，本文使用差分电路来实现相移特性。
该功能可以通过使用通用单运放芯片OPA227实现。因此对于大于1kHz的信号取R=1K，C=0.1uF，小于等于1kHz的信号，取R=1k，C=1uF，并通过开关控制切换RC值。
（二）相敏检波器电路
相敏检测电路使用两个AD630芯片。低通滤波器连接到两个输出中的每一个以产生所需的DC分量。
六、测试方案与测试结果
（一）测试方法
1、参考信号和要测量的信号由数字信号发生器F120产生，并且使用给定的标准噪声（wav文件）产生噪声源。噪声文件通过MP3播放，噪声源从音频输出端口获得。
2、将生成的参考信号输入参考信号通道，待测信号和噪声输入系统的输入端。
3、改变被测信号的幅度并观察测量值。 4、同时改变参考信号和测量信号的频率值，并观察测量值。
（二）测试结果
在测试之后，检测设备可以识别从100Hz到1MHz的正弦波信号频率范围。可以被识别的最小信号幅度可以达到20mV。此时，动态储备（DynamicReserve）可以达到37dB（噪声源输出的均方根电压值为1V±0.1V）。这里，动态储备被定义为最大限度噪声与轨到轨信号的比率（测量精度小于3%）。
七、程序设计
在实际设计过程中，显示部分主要是基于CCS系统和TIM430G2552芯片开发的。16位M430G2552芯片可快速处理大量数据，同时还具有低功耗和丰富的片上资源。这里使用AD637进行均方根测量，这是一种高精度有效值转换器。其使用的方法及使用过程中的调整都十分简便，而且在较短的稳定时间下他能得出精准的读数，通过它可以得到每种波形的真有效值。平均电容CAv是其唯一的外部调节元件，它影响稳定时间输出所需的时间，低频测量的精度和输出纹波。ADS7816是AD采样部分使用的仪器。图形和中文字符的显示由12864完成，内置8192个16*16点汉字。因为在兼具接口方式多样操作简单的情况下，它的电压和功耗都很低。软件设计完成的主要部分包括系统初始化，AD采样使能，M430G2552数据处理，幅度LCD显示和简易延迟功能。显示部分是基于TIM430G2552芯片和CCS系统开发。M430G2552是16位，具有高处理能力、快速运算速度、超低功耗和丰富的资源特点。
八、总结
随着我国新时代科学技术的不断发展，我国微弱信号检测装置的设计与探索也取得了很大的成就，广大相关科研工作者应当对此拥有足够的重视，以期为我国新时代微弱信号检测装置的进一步发展提供有效助力。对于微弱信号检测方面的电子设备系统的设计，必须要经过严格的、合理的计算论证和方案分析，还要经过一系列严格的测试和细致的调试，才有可能成为一个能夠稳定工作的性能优越的系统。
参考文献：
[1]赵庭兵，曾曾.光电检测系统的微弱信号采集与检测[J].激光杂志，2018，39（11）：158-161.
[2]石兆羽，杨绍普，赵志宏.基于耦合混沌振子的微弱信号检测[J/OL].石家庄铁道大学学报（自然科学版）：1-7[2018-12-18].
[3]郭雷宇.关于微弱电信号的信息融合检测探讨[J].山东工业技术，2018（23）：114.
[4]杨鹏飞，肖鹏，张诸宇，张胜.一种基于锁定放大器的微弱信号检测方法[J].无线电通信技术，2018，44（06）：597-600.