Proteus在微弱信號(hào)檢測(cè)教學(xué)中的應(yīng)用探討

楊　暉,蔣國(guó)亮

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

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Proteus在微弱信號(hào)檢測(cè)教學(xué)中的應(yīng)用探討

楊暉,蔣國(guó)亮

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)

摘要：針對(duì)目前“微弱信號(hào)檢測(cè)”課程存在實(shí)驗(yàn)資源有限和設(shè)備維護(hù)要求高的問(wèn)題,提出了采用Proteus仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式。以微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)中最重要的鎖相放大器為例,利用Proteus軟件設(shè)計(jì)了鎖相放大器的仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)鎖相放大器仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí),一方面可以讓學(xué)生更好的掌握鎖相放大器的結(jié)構(gòu)和原理;另一方面熟悉Proteus仿真技術(shù),了解鎖相放大器的構(gòu)建過(guò)程,通過(guò)自己動(dòng)手開(kāi)發(fā)鎖相放大器,為下一步實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)檢測(cè);Proteus;鎖相放大器

在物理學(xué)、化學(xué)、生物物理學(xué)、天文學(xué)、地震學(xué)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究中,存在大量較為微弱或極其微弱的信號(hào),這些信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器后的電信號(hào)有時(shí)在pA量級(jí)或nV量級(jí),并伴隨著大量的噪聲,傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方法無(wú)法把有效信號(hào)從中檢測(cè)出來(lái)。微弱信號(hào)檢測(cè)是一門利用光電子學(xué)的、信息論的和物理學(xué)的方法,分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律,研究被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)和相干性,檢測(cè)被背景噪聲覆蓋的弱信號(hào)的新興學(xué)科,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事以及航空航天等領(lǐng)域皆有著非常廣泛的應(yīng)用,近年來(lái)已成為現(xiàn)代工科學(xué)生從事科學(xué)研究不可缺少的一門知識(shí),其教學(xué)和研究也越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外高等院校和科研機(jī)構(gòu)的重視[1-6]。微弱信號(hào)檢測(cè)課程的內(nèi)容多、發(fā)展快、涉及知識(shí)面廣,要想提高教學(xué)質(zhì)量、提升教學(xué)效果,只有通過(guò)大量實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生親自動(dòng)手觀察客觀現(xiàn)象,驗(yàn)證理論知識(shí)[7]。但是目前微弱信號(hào)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴、設(shè)備維護(hù)專業(yè)化要求較高,一般高校不會(huì)大量配備。以筆者學(xué)院實(shí)驗(yàn)室為例,現(xiàn)有南京大學(xué)生產(chǎn)的綜合微弱信號(hào)實(shí)驗(yàn)儀6套(每套約15萬(wàn)元左右),每套實(shí)驗(yàn)儀只能2名學(xué)生操作,一個(gè)系列實(shí)驗(yàn)需要6～8個(gè)學(xué)時(shí),以本科和研究生相關(guān)專業(yè)300個(gè)學(xué)生為例,需要150～200學(xué)時(shí),從課內(nèi)實(shí)驗(yàn)角度看,顯然現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法滿足愈來(lái)愈高的實(shí)踐教學(xué)需求,因此如何更好地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為目前擺在微弱信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)前的一道難題。

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件),從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真,真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。本文以微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)中最重要的鎖相放大器為例,利用Proteus軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)了一種教學(xué)實(shí)踐型鎖相放大器,一方面可以讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)鎖相放大器的結(jié)構(gòu)和原理;另一方面熟悉Proteus仿真技術(shù),了解鎖相放大器的構(gòu)建過(guò)程,通過(guò)自己動(dòng)手開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)鎖相放大器,為下一步實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

一、鎖相放大器原理

相關(guān)檢測(cè)是應(yīng)用信號(hào)周期性和噪聲隨機(jī)性的特點(diǎn),通過(guò)自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算,達(dá)到去除噪聲、檢測(cè)信號(hào)的一種技術(shù)。鎖相放大器就是采用互相關(guān)技術(shù),通過(guò)對(duì)待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)中有效信號(hào)的提取,達(dá)到提高信噪比的目的[8-9]。常用的正交鎖相放大器采用了雙相關(guān)器的原理,參考信號(hào)由兩路相互正交的方波信號(hào)構(gòu)成,其原理框圖如圖1所示。正交鎖相放大器主要包括信號(hào)通道、參考輸入、相敏檢測(cè)器(PSD)、低通濾波器(LPF)和幅值運(yùn)算器。信號(hào)通道對(duì)調(diào)制正弦信號(hào)輸人進(jìn)行交流放大,將微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相敏檢測(cè)器工作的電平,并且要濾除部分干擾和噪聲,以提高相敏檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。參考輸入一般是兩路正交的正弦信號(hào)或方波開(kāi)關(guān)信號(hào),它可以是從外部輸入的某種周期信號(hào),也可以是系統(tǒng)內(nèi)原先用于調(diào)制的載波信號(hào)或用于斬波的信號(hào)。PSD以參考信號(hào)為基準(zhǔn),對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行相敏檢測(cè),再經(jīng)LPF濾除噪聲,因?yàn)長(zhǎng)PF的頻帶可以做得很窄,所以可使鎖相放大器輸出達(dá)到較大的信噪比。幅值運(yùn)算器根據(jù)低通濾波器輸出的同相分量和正交分量做相應(yīng)運(yùn)算即可得到輸入信號(hào)的幅值信息。

圖1　正交矢量鎖相放大器原理圖

二、基于Proteus的鎖相放大器設(shè)計(jì)

基于Proteus的鎖相放大仿真主要由三部分組成:正交參考信號(hào)、相敏檢波和幅值運(yùn)算電路,其中相敏檢波電路是最重要的部分,下面以此為例介紹如何利用Proteus進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

相敏檢波利用邏輯電平控制的模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)輸入低電平時(shí)使得原信號(hào)通過(guò),高電平時(shí)使原信號(hào)取反后通過(guò),其原理框圖如圖2所示。

圖2　采用模擬開(kāi)關(guān)的相敏檢波原理圖

在Proteus仿真設(shè)計(jì)中,模擬開(kāi)關(guān)使用DG419,通過(guò)參考信號(hào)來(lái)選擇開(kāi)關(guān)通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)相敏檢波,其具體原理圖如圖3所示(見(jiàn)下頁(yè))。調(diào)用示波器,測(cè)試相敏檢波的輸出,可得波形如圖4所示(見(jiàn)下頁(yè))。圖4中,第一條波形為正弦波輸入信號(hào),第二條為方波參考信號(hào),第三條為相敏檢波結(jié)果。其中,(a)為同相輸出波形圖,其參考方波與輸入正弦波同頻且相位差為0°。(b)為正交信號(hào)輸出波形圖,其參考方波與輸入正弦波同頻且相位差為90°。從(a)和(b)的第三條波形可以看出,當(dāng)參考方波為高電平時(shí),原信號(hào)通過(guò),參考信號(hào)為低電平時(shí),輸入信號(hào)取反通過(guò),顯然該仿真實(shí)現(xiàn)了相敏檢波的功能。

圖3　相敏檢波電路

圖4　相敏檢波輸出波形圖

三、仿真設(shè)計(jì)的實(shí)踐效果和存在的不足

(一)實(shí)踐效果

經(jīng)過(guò)基于Proteus的鎖相放大器仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)后,上海理工大學(xué)的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革取得了一定的效果。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)幫助學(xué)生深入理解所學(xué)內(nèi)容。鎖相放大器的理論學(xué)習(xí)過(guò)程偏重于數(shù)學(xué)推導(dǎo),學(xué)生普遍反應(yīng)比較枯燥,注意力很難集中。通過(guò)仿真設(shè)計(jì)可以培養(yǎng)學(xué)生理解和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題的能力。設(shè)計(jì)內(nèi)容包含所學(xué)課程的主要部分。設(shè)計(jì)內(nèi)容明確,指標(biāo)具體,這對(duì)提升學(xué)生的專業(yè)知識(shí)很有幫助,同時(shí)學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中獲得了一次從芯片選型、參數(shù)計(jì)算、具體設(shè)計(jì)、在線測(cè)試的實(shí)踐經(jīng)歷。最后采用答辯方式進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定,這也是一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化和設(shè)計(jì)成果交流的過(guò)程。

(2)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。光電檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)涉及到光、機(jī)、電、算等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí),促使學(xué)生必須主動(dòng)查閱資料來(lái)整合、優(yōu)化其知識(shí)結(jié)構(gòu),通過(guò)查找資料、分析比較、方案設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化設(shè)計(jì)、修改排錯(cuò)、撰寫報(bào)告等一系列過(guò)程,不知不覺(jué)就具備了思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,同時(shí)自學(xué)能力也不知不覺(jué)間得到了提高。課程設(shè)計(jì)之后,學(xué)生積極參與各種形式的課外科技創(chuàng)新活動(dòng)、參與各類科研項(xiàng)目,上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院學(xué)生的創(chuàng)新成果也在逐年遞增。光電檢測(cè)課程設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了學(xué)生解決問(wèn)題的能力,還培養(yǎng)了學(xué)生產(chǎn)品研發(fā)的創(chuàng)新能力,確實(shí)有助于高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

(3)緊密結(jié)合科研的設(shè)計(jì)模式也有助于提高教師素質(zhì)。教師要對(duì)課程設(shè)計(jì)活動(dòng)進(jìn)行合理組織和指導(dǎo)就必須不斷學(xué)習(xí)和提高,要具有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ),多領(lǐng)域的學(xué)科知識(shí),同時(shí)具有很強(qiáng)的科研工作能力和設(shè)計(jì)能力,實(shí)踐課程的教學(xué)從內(nèi)容、方法等多個(gè)方面對(duì)教師提出了要求,相信指導(dǎo)教師都會(huì)勇于面對(duì)這種挑戰(zhàn),為高素質(zhì)人才的培養(yǎng)不斷探索前進(jìn)。

(二)存在的不足

當(dāng)然在此過(guò)程中,也發(fā)現(xiàn)基于Proteus的仿真設(shè)計(jì)教學(xué)仍然存在一些不足,如:

(1)仿真結(jié)果過(guò)于理想。這是目前仿真設(shè)計(jì)普遍存在的難題,由于仿真結(jié)果中具有不確定因素,如:環(huán)境噪聲、器件本身材質(zhì)和引腳焊接處產(chǎn)生的噪聲等,使得學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)對(duì)能力。針對(duì)這一問(wèn)題,可通過(guò)和后續(xù)實(shí)際的鎖相放大器實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,特別要求不能忽視實(shí)際操作過(guò)程中存在的各種噪聲干擾,從而與仿真設(shè)計(jì)教學(xué)相結(jié)合,從而更全面的掌握知識(shí),提高實(shí)際動(dòng)手能力。

(2)元件庫(kù)不全。雖然Proteus仿真軟件的功能非常強(qiáng)大,而且元件數(shù)據(jù)庫(kù)也可以更新,但仍然會(huì)有少量的元器件無(wú)法找到,從而限制了一部分創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)。針對(duì)這類問(wèn)題,可通過(guò)鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展更多的研究和調(diào)研,設(shè)計(jì)不同的替代方案達(dá)到相同的功能,另一方面,也增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

“微弱信號(hào)檢測(cè)”課程以及課程建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程,特別是實(shí)驗(yàn)建設(shè)的加強(qiáng),需要課程組全體教師和實(shí)驗(yàn)員的共同努力,從而給學(xué)生課程設(shè)計(jì)提供一個(gè)更好的實(shí)踐平臺(tái),使學(xué)生能真正有動(dòng)手的機(jī)會(huì)。本文采用Proteus仿真平臺(tái),以微弱信號(hào)檢測(cè)中最重要的鎖相放大器為例,仿真設(shè)計(jì)了一款鎖相放大器,一方面使學(xué)生能夠更好的掌握鎖相放大器的原理,另一方面也減輕了該課程的實(shí)驗(yàn)壓力,并為相關(guān)課程的建設(shè)和開(kāi)展提供了一定的借鑒。

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(編輯: 鞏紅曉)

The Application of Proteus in the Teaching of “Weak Signal Detection”

Yang Hui,Jiang Guoliang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract：To solve the problem of limited experimental resources and high equipment maintenance requirements in the course of “weak signal detection”,a combination of Proteus simulation and experimental teaching mode is proposed. Learning examples of lock-in amplifier which is the most important technology of the weak signal detection,the students can develop a virtual lock-in amplifier with the software of Proteus. In this process,the students not only get familiar with the structure and principle of the lock-in amplifier ,but also master the Proteus simulation techniques. The new teaching mode helps students build the process by themselves and prepare them for the next experiment.

Keywords：weak signal detection;Proteus;lock-in amplifier

收稿日期：2015-05-13

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61007002);上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(15ZZ072)

作者簡(jiǎn)介：楊暉(1981-),男,副教授。研究方向： 儀器科學(xué)與技術(shù)。E-mail:yanghui@usst.edu.cn

中圖分類號(hào)：TN 911.23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-895X(2016)02-0184-04

DOI:10.13256/j.cnki.jusst.sse.2016.02.016