微弱信号检测装置 四川理工学院 刘鹏飞、梁天德、曾学明 摘要： 本设计以TI的Launch Pad为核心板，采用锁相放大技术设计并制作了一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率微弱正弦波信号的幅度值，并在液晶屏上数字显示出所测信号相应的幅度值。实验结果显示其抗干扰能力强，测量精度高。 关键词：强噪声；微弱信号；锁相放大；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 随着现代科学技术的发展，在科研与生产过程中人们越来越需要从复杂高强度的噪声中检测出有用的微弱信号，因此对微弱信号的检测成为当前科研的热点。微弱信号并不意味着信号幅度小，而是指被噪声淹没的信号，“微弱”也仅是相对于噪声而言的。只有在有效抑制噪声的条件下有选择的放大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。微弱信号检测技术的应用相当广泛，在生物医学、光学、电学、材料科学等相关领域显得愈发重要。 2、方案论证 针对微弱信号的检测的方法有很多，比如滤波法、取样积分器、锁相放大器等。下面就针对这几种方法做一简要说明。 方案一：滤波法。 在大部分的检测仪器中都要用到滤波方法对模拟信号进行一定的处理，例如隔离直流分量，改善信号波形，防止离散化时的波形混叠，克服噪声的不利影响，提高信噪比等。常用的噪声滤波器有：带通、带阻、高通、低通等。但是滤波方法检测信号不能用于信号频谱与噪声频谱重叠的情况，有其局限性。虽然可以对滤波器的通频带进行调节，但其噪声抑制能力有限，同时其准确性与稳定性将大打折扣。
上传时间： 2013-11-04
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本设计是采用AD603可控增益放大器芯片设计的一款高增益，高宽带直流放大器，采用两级级联放大电路了，提高了放大增益，扩展了通频带宽，而且具有良好的抗噪声系数，采用AT89S52芯片控制数模转换(DAC0832芯片)进行程控放大控制，在0—20MHz频带内，放大倍数在0-40dB之间进行调节，增益起伏为1dB。系统具有键盘输入预置，增益可调和液晶显示，具有很强的实际应用能力。
上传时间： 2013-11-03
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近年来，随着集成电路工艺技术的进步，电子系统的构成发生了两个重要的变化： 一个是数字信号处理和数字电路成为系统的核心，一个是整个电子系统可以集成在一个芯片上（称为片上系统)。这些变化改变了模拟电路在电子系统中的作用，并且影响着模拟集成电路的发展。 数字电路不仅具有远远超过模拟电路的集成规模，而且具有可编程、灵活、易于附加功能、设计周期短、对噪声和制造工艺误差的抗扰性强等优点，因而大多数复杂系统以数字信号处理和数字电路为核心已成为必然的趋势。虽然如此，模拟电路仍然是电子系统中非常重要的组成部分。这是因为我们接触到的外部世界的物理量主要都是模拟量，比如图像、声音、压力、温度、湿度、重量等，要将它们变换为数字信号，需要模拟信号处理和数据转换电路，如果这些电路性能不够高，将会影响整个系统的性能。其次，系统中的许多功能不可能或很难用数字电路完成，如微弱信号放大，很高频率和宽频带信号的实时处理等。因此，虽然模拟电路在系统中不再是核心，但作为固有的模拟世界与数字系统的接口，其地位和作用仍然十分重要。 片上系统要求将数字电路和模拟电路集成在一个芯片上，这希望模拟电路使用与数字电路相同的制造工艺。随着MOS器件的线宽不断减小，使MOS器件的性能不断提高，MOS数字电路成为数字集成电路的主流，并因此促进了MOS模拟集成电路的迅速发展。为了适应电子系统功能的不断扩展和性能的不断提高，对模拟电路在降低电源电压、提高工作频率、扩大线性工作范围和提高性能指标的精度和稳定度等方面提出更高要求，促进了新电路技术的发展。 作为研究生课程的教材，本书内容是在本科相关课程基础上的深化和扩展，同时涉及实际设计中需要考虑的一些问题，重点介绍具有高工作频率、低电源电压和高工作稳定性的新电路技术和在电子系统中占有重要地位的功能电路及其中的新技术。全书共7章，大致可分为三个部分。第一部分包括第1章和第7章。第1章为MOS模拟集成电路基础，比较全面地介绍MOS器件的工作原理和特性以及由MOS器件构成的基本单元电路，为学习本教材其他内容提供必要的知识。由于版图设计与工艺参数对模拟集成电路性能的影响很大，因此第7章简单介绍制造MOS模拟集成电路的CMOS工艺过程和版图设计技术，读者可以通过对该章所介绍的相关背景知识的了解，更深入地理解MOS器件和电路的特性，有助于更好地完成模拟集成电路的可实现性设计。第二部分为新电路技术，由第2章、第3章和第5章的部分组成，包括近年来逐步获得广泛应用的电流模电路、抽样数据电路和对数域电路，它们在提高工作频率、降低电源电压、扩大线性工作范围和提高性能指标的精度和稳定度方面具有明显的潜力，同时它们也引入了一些模拟电路的新概念。这些内容有助于读者开拓提高电路性能方面的思路。第2章介绍电流模电路的工作原理、特点和典型电路。与传统的以电压作为信号载体的电路不同，这是一种以电流作为信号载体的电路，虽然在电路中电压和电流总是共同存在并相互作用的，但由于信号载体不同，不仅电路性能不同而且电路结构也不同。第3章介绍抽样数据电路的特点和开关电容与开关电流电路的工作原理、分析方法与典型电路。抽样数据电路类似于数字电路，处理的是时间离散信号，又类似于模拟电路，处理的是幅度连续信号，它比模拟电路具有稳定准确的时间常数，解决了模拟电路实际应用中的一大障碍。对数域电路在第5章中结合其在滤波器中的应用介绍，这类电路除具有良好的电性能外，还提出了一种利用器件的非线性特性实现线性电路的新思路。第三部分介绍几个模拟电路的功能模块，它们是电子系统中的关键组成部分，并且与信号和信号处理联系密切，有助于在信号和电路间形成整体观念。这部分包括第4章至第6章。第4章介绍数据转换电路的技术指标和高精度与高速度转换电路的构成、工作原理、特点和典型电路。第5章介绍模拟集成滤波器的设计方法和主要类型，包括连续时间滤波器、对数域滤波器和抽样数据滤波器。第6章介绍通信系统中的收发器与射频前端电路，包括收信器、发信器的技术指标、结构和典型电路。因为载波通信系统传输的是模拟信号，射频前端电路的性能对整个通信系统有直接的影响，所以射频集成电路已成为重要的研究课题。 〖〗高等模拟集成电路〖〗〖〗前言〖〗〖〗本书是在为研究生开设的“高等模拟集成电路”课程讲义的基础上整理而成，由董在望主编，第1、4、7章由李冬梅编写，第6章由王志华编写，第5章由李永明和董在望编写，第2、3章由董在望编写，李国林参加了部分章节的校核工作。 本书可作为信息与通信工程和电子科学与技术学科相关课程的研究生教材或教学参考书，也可作为本科教学参考书或选修课教材和供相关专业的工程技术人员参考。 清华大学出版社多位编辑为本书的出版做了卓有成效的工作，深致谢意。 限于编者水平，难免有错误和疏漏之处，欢迎批评指正。 目录 1.1MOS器件基础及器件模型 1.1.1结构及工作原理 1.1.2衬底调制效应 1.1.3小信号模型 1.1.4亚阈区效应 1.1.5短沟效应 1.1.6SPICE模型 1.2基本放大电路 1.2.1共源(CS)放大电路 1.2.2共漏(CD)放大电路 1.2.3共栅(CG)放大电路 1.2.4共源共栅(CSCG)放大电路 1.2.5差分放大电路 1.3电流源电路 1.3.1二极管连接的MOS器件 1.3.2基本镜像电流源 1.3.3威尔逊电流源 1.3.4共源共栅电流源 1.3.5有源负载放大电路 1.4运算放大器 1.4.1运算放大器的主要参数 1.4.2单级运算放大器 1.4.3两级运算放大器 1.4.4共模反馈(CMFB) 1.4.5运算放大器的频率补偿 1.5模拟开关 1.5.1导通电阻 1.5.2电荷注入与时钟馈通 1.6带隙基准电压源 1.6.1工作原理 1.6.2与CMOS工艺兼容的带隙基准电压源 思考题 2电流模电路 2.1概述 2.1.1电流模电路的概念 2.1.2电流模电路的特点 2.2基本电流模电路 2.2.1电流镜电路 2.2.2电流放大器 2.2.3电流模积分器 2.3电流模功能电路 2.3.1跨导线性电路 2.3.2电流传输器 2.4从电压模电路变换到电流模电路 2.5电流模电路中的非理想效应 2.5.1MOSFET之间的失配 2.5.2寄生电容对频率特性的影响 思考题 3抽样数据电路 3.1开关电容电路和开关电流电路的基本分析方法 3.1.1开关电容电路的时域分析 3.1.2开关电流电路的时域分析 3.1.3抽样数据电路的频域分析 3.2开关电容电路 3.2.1开关电容单元电路 3.2.2开关电容电路的特点 3.2.3非理想因素的影响 3.3开关电流电路 3.3.1开关电流单元电路 3.3.2开关电流电路的特点 3.3.3非理想因素的影响 思考题 4A/D转换器与D/A转换器 4.1概述 4.1.1电子系统中的A/D与D/A转换 4.1.2A/D与D/A转换器的基本原理 4.1.3A/D与D/A转换器的性能指标 4.1.4A/D与D/A转换器的分类 4.1.5A/D与D/A转换器中常用的数码类型 4.2高速A/D转换器 4.2.1全并行结构A/D转换器 4.2.2两步结构A/D转换器 4.2.3插值与折叠结构A/D转换器 4.2.4流水线结构A/D转换器 4.2.5交织结构A/D转换器 4.3高精度A/D转换器 4.3.1逐次逼近型A/D转换器 4.3.2双斜率积分型A/D转换器 4.3.3过采样ΣΔA/D转换器 4.4D/A转换器 4.4.1电阻型D/A转换器 4.4.2电流型D/A转换器 4.4.3电容型D/A转换器 思考题 5集成滤波器 5.1引言 5.1.1滤波器的数学描述 5.1.2滤波器的频率特性 5.1.3滤波器设计的逼近方法 5.2连续时间滤波器 5.2.1连续时间滤波器的设计方法 5.2.2跨导电容（GmC）连续时间滤波器 5.2.3连续时间滤波器的片上自动调节电路 5.3对数域滤波器 5.3.1对数域电路概念及其特点 5.3.2对数域电路基本单元 5.3.3对数域滤波器 5.4抽样数据滤波器 5.4.1设计方法 5.4.2SZ域映射 5.4.3开关电容电路转换为开关电流电路的方法 思考题 6收发器与射频前端电路 6.1通信系统中的射频收发器 6.2集成收信器 6.2.1外差式接收与镜像信号 6.2.2复数信号处理 6.2.3收信器前端结构 6.3集成发信器 6.3.1上变换器 6.3.2发信器结构 6.4收发器的技术指标 6.4.1噪声性能 6.4.2灵敏度 6.4.3失真特性与线性度 6.4.4动态范围 6.5射频电路设计 6.5.1晶体管模型与参数 6.5.2噪声 6.5.3集成无源器件 6.5.4低噪声放大器 6.5.5混频器 6.5.6频率综合器 6.5.7功率放大器 思考题 7CMOS集成电路制造工艺及版图设计 7.1集成电路制造工艺简介 7.1.1单晶生长与衬底制备 7.1.2光刻 7.1.3氧化 7.1.4扩散及离子注入 7.1.5化学气相淀积（CVD） 7.1.6接触与互连 7.2CMOS工艺流程与集成电路中的元件 7.2.1硅栅CMOS工艺流程 7.2.2CMOS集成电路中的无源元件 7.2.3CMOS集成电路中的寄生效应 7.3版图设计 7.3.1硅栅CMOS集成电路的版图构成 7.3.2版图设计规则 7.3.3CMOS版图设计技术 思考题
标签： 模拟集成电路
上传时间： 2013-11-13
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采用微波仿真软件AWR对电路结构进行了优化和仿真,结果显示,在5～12 GHz频带内,复合晶体管结构的输出阻抗值更稳定,带宽得到有效扩展,最高增益达到11 dB,带内波动<0.5 dB,在9 GHz工作频率时,其1 dB压缩点处的输出功率为26 dBm。
上传时间： 2013-11-04
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通过安装和调试ＥＣＧ放大器，了解医学信号放大器的特点，并掌握放大器的有关指标。 安装和调试后的ＥＣＧ放大器，应达到以下指标： １?具有较高输入阻抗＞１ＭΩ ２?放大器差动增益约为１０００ ３?具有较高共模抑制比（CMRR>80db） ４?等效输入噪声＜１０μＶ ５?频带范围０.０５Ｈｚ～１００Ｈｚ
上传时间： 2013-10-18
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采用扇形微带短截线作为滤波器的基本单元,设计出具有宽频特性的滤波器,在微波平面电路的设计中有着良好的应用前景。通过设计扇形微带短截线单元的物理尺寸,能够实现特定频段的高选择性滤波器。用ADS 和HFSS 对这种新型滤波器与传统直形滤波器进行了特性对比,在特性方面,新型滤波器比传统滤波器具有更陡峭的过渡带和更宽的频带等优点;在结构方面,新型滤波器电路相对传统滤波器可以减少基板面积。
上传时间： 2013-10-20
上传用户：xsnjzljj
介绍了一种反对称渐变波导微带探针过渡结构，采用高频仿真软件HFSS仿真分析了这个波导微带过渡结构在 W 频段的特性，并对影响过渡性能的几个因素进行了敏感性分析，得出了可供工程应用参考的设计曲线。在全波导带宽内，实现了插入损耗小于0.088 dB，回波损耗大于27 dB。该结构具有宽频带、结构简单和易加工等优点，可广泛用于毫米波固态电路系统中。
上传时间： 2013-11-13
上传用户：名爵少年
本论文系统研究了系统级封装的电源完整性分析，电源分布网络设计以及三维混合芯片堆叠引起的近场耦合问题。对封装级PDN结构设计，宽频带、高隔离深度的噪声隔离抑制技术以及新型混合芯片三维堆叠屏蔽结构进行了重点研究上。
上传时间： 2013-11-08
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MAX29X是美国MAXIM公司生瓣的8阶开关电容低通滤波器,由于价格便宜、使用方便、设计简单，在通讯、信号自理等领域得到了广泛的应用。本文就其工作原理、电气参数、设计注意事项等问题作了讨论，具有一定的实用参考价值。关键词：开关电容、滤波器、设计 1 引言 开关电容滤波器在近些年得到了迅速的发展，世界上一些知名的半导体厂家相继推出了自己的开头电容滤波器集成电路，使形状电容滤波器的发展上了一个新台阶。 MAXIM公司在模拟器件生产领域颇具影响，它生产MAX291/292/293/294/295/296/297系列8阶低通开关电容滤波器由于使用方便（基本上不需外接元件）、设计简单（频率响应函数是固定的，只需确定其拐角频率即截止频率)、尺寸小（有8-pin DIP封装）等优点，在ADC的反混叠滤波、噪声分析、电源噪声抑制等领域得到了广泛的应用。 MAX219/295为巴特活思（型滤波器，在通频带内，它的增益最稳定，波动小，主要用于仪表测量等要求整个通频带内增益恒定的场合。MAX292/296为贝塞尔（Bessel）滤波器，在通频带内它的群时延时恒定的，相位对频率呈线性关系，因此脉冲信号通过MAX292/296之后尖峰幅度小，稳定速度快。由于脉冲信号通过贝塞尔滤波器之后所有频率分量的延迟时间是相同的，故可保证波形基本不变。关于巴特活和贝塞尔滤波器的特性可能图1来说明。图1的踪迹A为加到滤波器输入端的3kHz的脉冲，这里我们把滤波器的截止频率设为10kHZ。踪迹B通过MAX292/296后的波形。从图中可以看出，由于MAX292/296在通带内具有线性相位特性，输出波形基本上保持了方波形状，只是边沿处变圆了一些。方波通过MAX291/295之后，由于不同频率的信号产生的时延不同，输出波形中就出现了尖峰(overshoot)和铃流(ringing)。 MAX293/294/297为8阶圆型（Elliptic）滤波器，它的滚降速度快，从通频带到阻带的过渡带可以作得很窄。在椭圆型滤波器中，第一个传输零点后输出将随频率的变高而增大，直到第二个零点处。这样几番重复就使阻事宾频响呈现波浪形，如图2所示。阻带从fS起算起，高于频率fS处的增益不会超过fS处的增益。在椭圆型滤波中，通频带内的增益存在一定范围的波动。椭圆型滤波器的一个重要参数就是过渡比。过渡比定义为阻带频率fS与拐角频率（有时也等同为截止频率）由时钟频率确定。时钟既可以是外接的时钟，也可以是自己的内部时钟。使用内部时钟时只需外接一个定时用的电容既可。 在MAX29X系列滤波器集成电路中，除了滤波器电路外还有一个独立的运算放大器（其反相输入端已在内部接地）。用这个运算放大器可以组成配合MAX29X系列滤波器使用后的滤波、反混滤波等连续时间低通滤波器。 下面归纳一下它们的特点： ●全部为8阶低通滤波器。MAX291/MAX295为巴特沃思滤波器；MAX292/296为贝塞尔滤波器；MAX293/294/297为椭圆滤波器。 ●通过调整时钟，截止频率的调整范围为：0.1Hz～25kHz（MAX291/292/293*294）；0.1Hz～kHz（MAX295/296/297）。 ●既可用外部时钟也可用内部时钟作为截止频率的控制时钟。 ●时钟频率和截止频率的比率：10∶1(MAX291/292/293/294);50∶1(MAX295/296/297)。 ●既可用单+5V电源供电也可用±5V双电源供电。 ●有一个独立的运算放大器可用于其它应用目的。 ●8-pin DIP、8-pin SO和宽SO-16多种封装。2 管脚排列和主要电气参数 MAX29X系列开头电容滤波器的管脚排列如图3所示。 管脚功能定义如下： CLK：时钟输入。 OP OUT：独立运放的输出端。 OP INT：独立运放的同相输入端。 OUT：滤波器输出。 IN：滤波器输入。 V-：负电源 。双电源供电时搛-2.375～-5.5V之间的电压，单电源供电时V--=-V。 V+：正电源。双电源供电时V+=+2.35～+5.5V,单电源供电时V+=+4.75～+11.0V。 GND：地线。单电源工作时GND端必须用电源电压的一半作偏置电压。 NC：空脚，无连线。 MAX29X的极限电气参数如下： 电源（V+～V-）：12V 输入电压（任意脚）：V--0.3V≤VIN≤V++0.3V 连续工作时的功耗：8脚塑封DIP：727mW；8脚SO：471mW；16脚宽SO：762mW；8脚瓷封DIP：640mW。 工作温度范围：MAX29-C-：0℃～+70℃；MAX29-E-：-40℃～+85℃；MAX29-MJA：-55℃～+125℃；保存温度范围：-65℃～+160℃；焊接温度（10秒）：+300℃； 大多数的形状电容滤波器都采用四节级连结构，每一节包含两个滤波器极点。这种方法的特点就是易于设计。但采用这种方法设计出来的滤波器的特性对所用元件的元件值偏差很敏感。基于以上考虑，MAX29X系列用带有相加和比例功能的开关电容持了梯形无源滤波器，这种方法保持了梯形无源滤波器的优点，在这种结构中每个元件的影响作用是对于整个频率响应曲线的，某元件值的误差将会分散到所有的极点，因此不值像四节级连结构那样对某一个极点特别明显的影响。3 MAX29X的频率特性 MAX29X的频率特性如图4所示。图中的fs都假定为1kHz。4 设计考虑 下面对MAX29X系列形状电容滤波器的使用做些讨论。4.1 时钟信号 MAX29X系列开头电容滤波器推荐使用的时钟信号最高频率为2.5MHz。根据对应的时钟频率和拐角频率的比值，MAX291/MAX292/MAX293/MAX294的拐角频率最高为25kHz.MAX295/MAX296/MAX297的拐角频率最高为50kHz 。 MAX29X系列开关电容滤波器的时钟信号既可幅外部时钟直接驱动也可由内部振荡器产生。使用外部时钟时，无论是采用单电源供电还是双电源供电，CLK可直接和采用+5V供电的CMOS时钟信号发生器的输出相连。通过调整外部时钟的频率，可完成滤波器拐角的实时调整。 当使用内部时钟时，振荡器的频率由接在CLK端上的电容VCOSC决定： fCOSC (kHz)=105/3COSC (pF) 4.2 供电 MAX29X系列开关电容滤波器既可用单电源工作也可用双电源工作。双电源供电时的电源电压范围为±2.375～±5.5V。在实际电路中一般要在正负电源和GND之间接一旁路电容。 当采用单电源供电时，V-端接地，而GND端要通过电阻分压获得一个电压参考，该电压参考的电压值为1/2的电源电压，参见图5。4.3 输入信号幅度范围限制 MAX29X允许的输入信号的最大范围为V--0.3V～V++0.3V。一般情况下在+5V单电源供电时输入信号范围取1V～4V,±5V双电源供电时，输入信号幅度范围取±4V。如果输入信号超过此范围，总谐波失真THD和噪声就大大增加；同样如果输入信号幅度过小（VP-P＜1V），也会造成THD和噪声的增加。4.4 独立运算放大器的用法 MAX29X中都设计有一个独立的运算放大器，这个放大器和滤波器的实现无直接关系，用这个放大器可组成一个一阶和二阶滤波器，用于实现MAX29X之前的反混叠滤波功能鄞MAX29X之后的时钟噪声抑制功能。这个运算放大器的反相端已在内部和GND相连。 图6是用该独立运放组成的2阶低通滤波器的电路，它的拐角频率为10kHz,输入阻抗为22Ω,可满足MAX29X形状电容滤波器的最小负载要求（MAX29X的输出负载要求不小于20kΩ）可以通过改变R1、R2、R3、C1、C2的元件值改变拐角频率。具体的元件值和拐角频率的对应关系参见表1。
上传时间： 2013-10-18
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摘要： 文章运用多种数字电子技术和模拟电子技术设计了一款能产生正弦波、方波和宽频带白噪声波的多功能函数发生器，本信号发生器以比较廉价实用的Atmel公司的8位AVR微处理器Atmega128作为核心，采用模拟电路技术和近几年比较流行的直接数字合成技术(DDS)及其代表芯片AD9851搭建了信号发生电路。整个系统包含键盘输入和128 x 64宽屏LCD显示，信号种类、频率等所有设置全部数字操作完成，本系统能产生步进1 Hz、最高频率10 MHz的正弦波和方波，并且精度在97％l,X上，同时系统还能产生宽频带白噪声波。系统有人性化的欢迎界面和简单的操作系统，功耗极低，迎合了当今全球节能减排的趋势
上传时间： 2013-10-09
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