微弱信號檢測與鎖定放大電路-論文.pdf

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1、第5期田正武等．微弱信號檢測與鎖定放大電路微弱信號檢測與鎖定放大電路田正武熊俊俏裴建華林鶴鳴劉澤(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，武漢430205)摘要介紹了一種微弱信號的檢測與鎖定放大方法。通過模擬鎖相環(huán)工作鎖定待檢微弱信號的頻率，利用控制器測量該鎖相環(huán)的輸出頻率，并根據(jù)該頻率值控制直接數(shù)字合成電路產(chǎn)生同頻信號，該信號作為相關(guān)檢測所需的參考信號。系統(tǒng)采用乘法器和積分電路實現(xiàn)相關(guān)檢測，通過步進(jìn)調(diào)整參考信號的相位，使互相關(guān)值最大，獲得與被測信號同頻同相的再生信號，從而實現(xiàn)微弱信號的檢測與放大。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)頻率檢測及幅度檢測等功能。經(jīng)實驗測試表

2、明：在低信噪比條件下，該方法仍具有較好的線性測量特性和較高的準(zhǔn)確度，可實現(xiàn)任意波形的微弱信號自動檢測和再生放大。關(guān)鍵詞微弱信號檢測鎖相環(huán)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)中圖分類號TH7文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1000—3932(2014)05~509—04從強噪聲背景下提取并檢測微弱信號，在無適的波形進(jìn)行相關(guān)處理，確定被檢測微弱信號的線通信、傳感器及機械設(shè)備檢測等領(lǐng)域應(yīng)用廣幅度與相位，從而獲得微弱信號的重建。泛¨。，具體的檢i貝4方法也從傳統(tǒng)的相關(guān)檢測、頻1鎖定檢測放大器的工作原理與電路譜分析發(fā)展到小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混沌振子、高基于鎖相環(huán)和DDS技術(shù)

3、的微弱信號檢測系階統(tǒng)計量及隨機共振等。由于微弱特征信號統(tǒng)如圖1所示。低信噪比信號通過低噪放大器進(jìn)(如有周期信號、脈沖信號、沖擊信號及非周期信行幅度放大，由鎖相環(huán)提取被檢信號的頻率，該頻號等)和噪聲(如白噪聲、高斯噪聲及窄帶噪聲率值通過控制器傳輸給DDS，DDS產(chǎn)生同頻率的等)的種類較多，不同特性的信號和噪聲的混合本地參考信號，該信號與被檢信號進(jìn)行互相關(guān)運造成待測信號較為復(fù)雜，通常根據(jù)噪聲特征和微算。由于互相關(guān)運算與兩者的相位差有關(guān)，因此弱信號的特點選擇合適的檢測方法。控制器步進(jìn)調(diào)整參考信號的相位使互相關(guān)值最互相關(guān)檢測方法是根據(jù)接收信號的

4、頻率，在大，此時DDS輸出的信號與被檢信號同頻同相，接收端產(chǎn)生與待測信號頻率相同的參考信號，將再經(jīng)放大器即可獲得所需信號的幅度。顯然，微參考信號與混有噪聲的被檢測信號進(jìn)行相關(guān)處弱信號檢測的靈敏度與檢測信號的帶寬取決于鎖理，利用信號與噪聲的不同的相關(guān)特性提取信號。相環(huán)的性能，被檢信號的相位恢復(fù)取決于DDS的在互相關(guān)檢測方法中，需要了解被檢信號的頻率，相位控制精度。確定參考信號的頻率，并調(diào)整參考信號的相位，使制參數(shù)顯示互相關(guān)值最大。傳統(tǒng)的互相關(guān)檢測方法，往往假定被檢測信號的頻率，參考信號采用方波進(jìn)行互相關(guān)，而在理論分析時，將方波分解為基波和

5、諧驊波，通過濾波濾除諧波成分的影響，因此傳統(tǒng)的互相關(guān)檢測存在一定的缺陷，如缺乏頻率自動檢測圖1微弱信號檢測系統(tǒng)框圖與跟蹤能力、方波的諧波成分對互相關(guān)的影響，特1．1鎖相環(huán)電路別是頻率較低的信號檢測，受諧波的影響更大。鎖相環(huán)是一種相位反饋控制電路，通過相位為此，筆者提出了一種基于鎖相環(huán)和直接數(shù)字頻率合成(DirectDigitalSynthnesizer，DDS)技術(shù)的微弱信號檢測方案，利用鎖相技術(shù)提取被檢信號的收稿日期：2Ol3-09·28(修改稿)頻率，并以該頻率為參考，通過DDS技術(shù)選擇合基金項目：武漢工程大學(xué)校長基金資助項目510

6、化工自動化及儀表第4l卷的控制獲得頻率同步，因此鎖相環(huán)輸出的頻率與接電容c，和內(nèi)部電阻R。組成，適合寬帶信號跟被檢信號的頻率同步，但保持穩(wěn)定的相位差。鎖蹤。當(dāng)鎖相環(huán)處于入鎖狀態(tài)時，輸出穩(wěn)定的同頻相環(huán)主要由鑒相器、壓控振蕩敲器和環(huán)路濾波器構(gòu)方波信號，并將分頻器前、后的方波信號均輸出至成。筆者設(shè)計的微弱信號檢測系統(tǒng)選用模擬集成單片機；當(dāng)檢測信號頻率較低時(如低于2kHz)，鎖相環(huán)LM565，其電路如圖2所示。利用10分頻電路提高VCO的工作頻率，提高鎖一l2V+l2V相環(huán)的工作效率，此時單片機采集的信號頻率為C1470nFfo，；若檢測信號

7、頻率較高(如高于20kHz)，可直工接將4腳輸出與5腳相連接，此時單片機采集的位Il疆廣—__1r電z信號頻率為廠0。這里，鎖相環(huán)的中心頻率fo=反定時}O．35電容I9j—CT。T6?圖2中，9腳所外接定時電容由單片機控制，越可以通過更換不同的電容來選擇不同的壓控振蕩l4lS1I器工作頻段。l1．2DDS與頻率合成圖2鎖相環(huán)電路圖1中的DDS提供微弱信號相關(guān)檢測用參模擬集成鎖相環(huán)LM565的工作頻率在0．001考信號，這里選用AD9850(其內(nèi)部頻率控制字字～一500000．O00Hz，鑒頻失真度低于0．2％，最大長32位)和高性能的

8、10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(工作時鐘鎖定范圍±60％。壓控振蕩器的中心頻率由定時180MHz)，采用的時鐘頻率為180MHz時，頻率分電阻R(8端)和定時電容c(9端)決定，考慮到辨率為0．03Hz?？蓪敵稣也ㄐ?/p>