本实用新型专利技术公开了一种基于频域信号窄带化的uV级微弱信号检测教学箱，其特征在于，包括箱体、供电模块、主控制单元、信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块，信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块依次串联，数据采样显示模块电连接主控制单元，供电模块电连接主控制单元、信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块。本装置是以STM32作为系统的控制核心，不仅在微弱信号检测实践课程中达到良好的实践要求，还能综合所学知识应用于实践，并且向学生引入较为前沿技术的FPGA的概念和应用，拓宽了电子信息的相关知识，提升学生的综合素质和专业素养。
A UV-level Weak Signal Detection Teaching Box Based on Narrowbanding of Frequency Domain Signal
【技术实现步骤摘要】
一种基于频域信号窄带化的uV级微弱信号检测教学箱
本技术涉及一种基于频域信号窄带化的uV级微弱信号检测教学箱，属于微弱信号检测
技术介绍
微弱信号是指深埋在背景噪声中的极其微弱的有用信号，使用常规方法不能检测到的微弱信号量，微弱信号检测方法是研究如何从强噪声中提取微弱特征信号的技术。微弱信号的检测是发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要意义。窄带化技术：单频余弦(或正弦)信号或频带很窄的正余弦信号，属于频域信号。由于信号频率固定，可以通过限制测量系统带宽的方法，把大量的带宽外的噪声排除。锁定放大器(Lock-inAmplifier,LIA)，属于频域信号窄带化技术的一种，对信号频谱进行迁移到调制频率的两边，经过交流放大后，再用相敏检波器(PSD)将其频谱迁移到直流(w＝0)的两边，用窄带低通滤波器(LPF)滤除噪声，得到高信噪比的放大信号。此外，该方法信号处理简单，有很高的检测灵敏度，是微弱信号检测的一种有效方法。微弱信号检测是微弱信号分析的前提，随着科学技术的不断发展,被噪声掩盖的各种微弱信号的检测(如弱光、微温差、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视。特别是随着生物传感器的发展(生物传感器所产生的信号一般为频率较低的微弱信号),微弱信号的有效检测愈发显得重要。强噪声背景下的微弱特征信号检测，一直是工程应用领域的难题，相关的教学也越来越被高校重视，但是在教学当中却没有较好的演示和实践装置来强化教学效果、锻炼学生的动手实践能力。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于频域信号窄带化的uV级微弱信号检测教学箱，利用锁相放大(LIA)进行相敏检波(PSD)的技术能够在强干扰背景下实现uV级微弱信号的有效检测，并将各个环节的结果在显示屏上显示，可以在教学和实践环节给学生直观的演示，也能让学生动手实践，加强教学效果。为达到上述目的，本技术提供一种基于频域信号窄带化的uV级微弱信号检测教学箱，包括箱体、供电模块、主控制单元、信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块，信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块依次串联，数据采样显示模块电连接主控制单元，供电模块电连接主控制单元、信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块。优先地，信号产生电路包括基于数字频率合成的FPGA芯片和前级调理电路，前级调理电路包括增益受控放大电路、高度比较器电路、电压调整电路、整流滤波电路和高速放大电路，增益受控放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C10和VCA824芯片，FPGA芯片的输出端电连接所述P1接口，VCA824芯片的5号引脚串联电阻R2后连接VCA824芯片的4号引脚，电阻R1串联电容C1后并联在电阻R2两端，VCA824芯片的6号引脚串联电阻R4后接地，VCA824芯片的3号引脚电连接P1接口，VCA824芯片的3号引脚串联电阻R6后接地，VCA824芯片的12号引脚串联电阻R3后连接VCA824芯片的10号引脚，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5，VCA824芯片的13号引脚、VCA824芯片的1号引脚和VCA824芯片的14号引脚均电连接供电模块的VCC端，VCA824芯片的7号引脚和VCA824芯片的8号引脚电连接供电模块的VSS端，VCA824芯片的11号引脚接地，VCA824芯片的9号引脚串联电容C10后接地，电阻R7并联在电容C10两端，VCA824芯片的2号引脚连接电压调整电路，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5后连接高度比较器电路和高速放大电路；高度比较器电路包括滑动电阻R8、电阻R11、电阻R12、J3排针、电感L1、J1排针、J2排针和AD8561芯片，供电模块的VCC端串联滑动电阻R8后接地，滑动电阻R8的滑动端电连接J3排针的2号引脚，J3排针的1号引脚电连接AD8561芯片的IN-引脚，J3排针的1号引脚串联电阻R11后接地，供电模块的VSS端电连接AD8561芯片的VCC-引脚，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5和电阻R12后连接AD8561芯片的IN+引脚，供电模块的VCC端电连接AD8561芯片的VCC+引脚，AD8561芯片的EN引脚连接AD8561芯片的GND引脚，AD8561芯片的EN引脚电连接电感L1后接地，J1排针的1号引脚和J1排针的2号引脚接地，J2排针的1号引脚和J2排针的2号引脚接地，AD8561芯片的Qout引脚连接整流滤波电路；电压调整电路包括电阻R14、电阻R16、电容C16、电阻R19、电阻R20、电阻R22、运算放大器U3A和运算放大器U3B，VCA824芯片的2号引脚串联电阻R14后连接运算放大器U3A的1号引脚，VCA824芯片的2号引脚串联电容C16后接地，运算放大器U3A的1号引脚串联电阻R16后连接运算放大器U3A的2号引脚，运算放大器U3A的8号引脚连接供电模块的VCC端，运算放大器U3A的2号引脚串联电阻R22后连接运算放大器U3B的7号引脚，运算放大器U3A的3号引脚串联串联电阻R19后接地，运算放大器U3A的4号引脚连接供电模块的VSS端，运算放大器U3A的3号引脚串联电阻R20后连接供电模块的VCC端，运算放大器U3B的7号引脚连接运算放大器U3B的6号引脚，运算放大器U3B的5号引脚连接整流滤波电路；整流滤波电路包括二极管D3、电阻R15、电阻R13和电容C12，运算放大器U3B的5号引脚串联电阻R13后接地，AD8561芯片的Qout引脚依次串联二极管D3、电阻R15和电容C12后接地，电容C12并联在电阻R13两端；高速放大电路包括OPA690芯片、电阻R17、电阻R18和P2接口，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5后连接OPA690芯片的+IN引脚，OPA690芯片的-IN引脚串联电阻R17和电阻R18后连接P2接口，电阻R17和电阻R18之间的节点连接OPA690芯片的VOUT引脚，OPA690芯片的DIS引脚连接OPA690芯片的+Vs引脚，OPA690芯片的+Vs引脚连接供电模块的VCC端，P2接口连接信号通道；运算放大器U3A和运算放大器U3B组合成NE5532AP型号的双运放。优先地，所述主控制单元为STM32F103C8T6单片机。优先地，供电模块包括多个极性电容CD和多个电容C，多个极性电容CD和多个电容C均分为两组，第一组中的多个极性电容CD正极和多个电容C上端并联形成VCC端，第一组中的多个极性电容CD负极和多个电容C下端接地，第二组中的多个极性电容CD正极和多个电容C上端接地，第二组中的多个极性电容CD负极和多个电容C下端并联形成VSS端；供电模块还包括排针P3、排针P4、电感L3和电感L2，排针P4的1号引脚、2号引脚和3号引脚并联后串联电感L2连接VCC端，排针P31号引脚、2号引脚和3号引脚并联后串联电感L3连接VSS端。优先地，信号通道包括分压继电器一、电压跟随器一、分压继电器二、电压跟随器二、加法器、仪用放大器和带通滤波器，P2接口本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于频域信号窄带化的uV级微弱信号检测教学箱，其特征在于，包括箱体、供电模块、主控制单元、信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块，信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块依次串联，数据采样显示模块电连接主控制单元，供电模块电连接主控制单元、信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块；信号产生电路包括基于数字频率合成的FPGA芯片和前级调理电路，前级调理电路包括增益受控放大电路、高度比较器电路、电压调整电路、整流滤波电路和高速放大电路，增益受控放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C10和VCA824芯片，FPGA芯片的输出端电连接P1接口，VCA824芯片的5号引脚串联电阻R2后连接VCA824芯片的4号引脚，电阻R1串联电容C1后并联在电阻R2两端，VCA824芯片的6号引脚串联电阻R4后接地，VCA824芯片的3号引脚电连接P1接口，VCA824芯片的3号引脚串联电阻R6后接地，VCA824芯片的12号引脚串联电阻R3后连接VCA824芯片的10号引脚，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5，VCA824芯片的13号引脚、VCA824芯片的1号引脚和VCA824芯片的14号引脚均电连接供电模块的VCC端，VCA824芯片的7号引脚和VCA824芯片的8号引脚电连接供电模块的VSS端，VCA824芯片的11号引脚接地，VCA824芯片的9号引脚串联电容C10后接地，电阻R7并联在电容C10两端，VCA824芯片的2号引脚连接电压调整电路，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5后连接高度比较器电路和高速放大电路；高度比较器电路包括滑动电阻R8、电阻R11、电阻R12、J3排针、电感L1、J1排针、J2排针和AD8561芯片，供电模块的VCC端串联滑动电阻R8后接地，滑动电阻R8的滑动端电连接J3排针的2号引脚，J3排针的1号引脚电连接AD8561芯片的IN‑引脚，J3排针的1号引脚串联电阻R11后接地，供电模块的VSS端电连接AD8561芯片的VCC‑引脚，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5和电阻R12后连接AD8561芯片的IN+引脚，供电模块的VCC端电连接AD8561芯片的VCC+引脚，AD8561芯片的EN引脚连接AD8561芯片的GND引脚，AD8561芯片的EN引脚电连接电感L1后接地，J1排针的1号引脚和J1排针的2号引脚接地，J2排针的1号引脚和J2排针的2号引脚接地，AD8561芯片的Qout引脚连接整流滤波电路；电压调整电路包括电阻R14、电阻R16、电容C16、电阻R19、电阻R20、电阻R22、运算放大器U3A和运算放大器U3B，VCA824芯片的2号引脚串联电阻R14后连接运算放大器U3A的1号引脚，VCA824芯片的2号引脚串联电容C16后接地，运算放大器U3A的1号引脚串联电阻R16后连接运算放大器U3A的2号引脚，运算放大器U3A的8号引脚连接供电模块的VCC端，运算放大器U3A的2号引脚串联电阻R22后连接运算放大器U3B的7号引脚，运算放大器U3A的3号引脚串联串联电阻R19后接地，运算放大器U3A的4号引脚连接供电模块的VSS端，运算放大器U3A的3号引脚串联电阻R20后连接供电模块的VCC端，运算放大器U3B的7号引脚连接运算放大器U3B的6号引脚，运算放大器U3B的5号引脚连接整流滤波电路；整流滤波电路包括二极管D3、电阻R15、电阻R13和电容C12，运算放大器U3B的5号引脚串联电阻R13后接地，AD8561芯片的Qout引脚依次串联二极管D3、电阻R15和电容C12后接地，电容C12并联在电阻R13两端；高速放大电路包括OPA690芯片、电阻R17、电阻R18和P2接口，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5后连接OPA690芯片的+IN引脚，OPA690芯片的‑IN引脚串联电阻R17和电阻R18后连接P2接口，电阻R17和电阻R18之间的节点连接OPA690芯片的VOUT引脚，OPA690芯片的DIS引脚连接OPA690芯片的+Vs引脚，OPA690芯片的+Vs引脚连接供电模块的VCC端，P2接口连接信号通道；运算放大器U3A和运算放大器U3B组合成NE5532AP型号的双运放；信号通道包括分压继电器一、电压跟随器一、分压继电器二、电压跟随器二、加法器、仪用放大器和带通滤波器，P2接口分别连接分压继电器一和分压继电器二，分压继电器一电连接电压跟随器一，分压继电器二电连接电压跟随器二，电压跟随器一和电压跟随器二电连接加法器；加法器包括电阻R39、电阻R40、电阻R35、电阻R72、运算放大器U12、极性电容CD1、电容C...
【技术特征摘要】
1.一种基于频域信号窄带化的uV级微弱信号检测教学箱，其特征在于，包括箱体、供电模块、主控制单元、信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块，信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块依次串联，数据采样显示模块电连接主控制单元，供电模块电连接主控制单元、信号产生电路、信号通道、相敏检波模块、后级调理电路和数据采样显示模块；信号产生电路包括基于数字频率合成的FPGA芯片和前级调理电路，前级调理电路包括增益受控放大电路、高度比较器电路、电压调整电路、整流滤波电路和高速放大电路，增益受控放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C10和VCA824芯片，FPGA芯片的输出端电连接P1接口，VCA824芯片的5号引脚串联电阻R2后连接VCA824芯片的4号引脚，电阻R1串联电容C1后并联在电阻R2两端，VCA824芯片的6号引脚串联电阻R4后接地，VCA824芯片的3号引脚电连接P1接口，VCA824芯片的3号引脚串联电阻R6后接地，VCA824芯片的12号引脚串联电阻R3后连接VCA824芯片的10号引脚，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5，VCA824芯片的13号引脚、VCA824芯片的1号引脚和VCA824芯片的14号引脚均电连接供电模块的VCC端，VCA824芯片的7号引脚和VCA824芯片的8号引脚电连接供电模块的VSS端，VCA824芯片的11号引脚接地，VCA824芯片的9号引脚串联电容C10后接地，电阻R7并联在电容C10两端，VCA824芯片的2号引脚连接电压调整电路，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5后连接高度比较器电路和高速放大电路；高度比较器电路包括滑动电阻R8、电阻R11、电阻R12、J3排针、电感L1、J1排针、J2排针和AD8561芯片，供电模块的VCC端串联滑动电阻R8后接地，滑动电阻R8的滑动端电连接J3排针的2号引脚，J3排针的1号引脚电连接AD8561芯片的IN-引脚，J3排针的1号引脚串联电阻R11后接地，供电模块的VSS端电连接AD8561芯片的VCC-引脚，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5和电阻R12后连接AD8561芯片的IN+引脚，供电模块的VCC端电连接AD8561芯片的VCC+引脚，AD8561芯片的EN引脚连接AD8561芯片的GND引脚，AD8561芯片的EN引脚电连接电感L1后接地，J1排针的1号引脚和J1排针的2号引脚接地，J2排针的1号引脚和J2排针的2号引脚接地，AD8561芯片的Qout引脚连接整流滤波电路；电压调整电路包括电阻R14、电阻R16、电容C16、电阻R19、电阻R20、电阻R22、运算放大器U3A和运算放大器U3B，VCA824芯片的2号引脚串联电阻R14后连接运算放大器U3A的1号引脚，VCA824芯片的2号引脚串联电容C16后接地，运算放大器U3A的1号引脚串联电阻R16后连接运算放大器U3A的2号引脚，运算放大器U3A的8号引脚连接供电模块的VCC端，运算放大器U3A的2号引脚串联电阻R22后连接运算放大器U3B的7号引脚，运算放大器U3A的3号引脚串联串联电阻R19后接地，运算放大器U3A的4号引脚连接供电模块的VSS端，运算放大器U3A的3号引脚串联电阻R20后连接供电模块的VCC端，运算放大器U3B的7号引脚连接运算放大器U3B的6号引脚，运算放大器U3B的5号引脚连接整流滤波电路；整流滤波电路包括二极管D3、电阻R15、电阻R13和电容C12，运算放大器U3B的5号引脚串联电阻R13后接地，AD8561芯片的Qout引脚依次串联二极管D3、电阻R15和电容C12后接地，电容C12并联在电阻R13两端；高速放大电路包括OPA690芯片、电阻R17、电阻R18和P2接口，VCA824芯片的10号引脚串联电阻R5后连接OPA690芯片的+IN引脚，OPA690芯片的-IN引脚串联电阻R17和电阻R18后连接P2接口，电阻R17和电阻R18之间的节点连接OPA690芯片的VOUT引脚，OPA690芯片的DIS引脚连接OPA690芯片的+Vs引脚，OPA690芯片的+Vs引脚连接供电模块的VCC端，P2接口连接信号通道；运算放大器U3A和运算放大器U3B组合成NE5532AP型号的双运放；信号通道包括分压继电器一、电压跟随器一、分压继电器二、电压跟随器二、加法器、仪用放大器和带通滤波器，P2接口分别连接分压继电器一和分压继电器二，分压继电器一电连接电压跟随器一，分压继电器二电连接电压跟随器二，电压跟随器一和电压跟随器二电连接加法器；加法器包括电阻R39、电阻R40、电阻R35、电阻R72、运算放大器U12、极性电容CD1、电容C14、电容C6和极性电容CD4，电压跟随器一的输出端串联电阻R40后连接运算放大器U12的2号引脚，电压跟随器二的输出端串联电阻R39后连接运算放大器U12的2号引脚，运算放大器U12的2号引脚串联电阻R72后连接运算放大器U12的6号引脚，运算放大器U12的3号引脚串联电阻R35后接地，运算放大器U12的6号引脚连接仪用放大器；运算放大器U12的7号引脚+5V供电，运算放大器U12的7号引脚串联极性电容CD1后接地，电容C14并联在电容CD1两端，运算放大器U12的4号引脚串联电容C6后接地，极性电容CD4并联在电容C6两端，运算放大器U12的4号引脚-5V供电；带通滤波器包括排针P5、排针P10、运算放大器U7、运算放大器U8、电阻R10、电阻R24、电阻R23、电容C17和电容C15，仪用放大器的输出端连接运算放大器U7的3号引脚和排针P5，运算放大器U7的2号引脚连接运算放大器U7的6号...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘畅，夏子杰，陈宇航，倪浩然，邢梓萌，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32
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