微弱信號(hào)檢測(cè)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(hào)檢測(cè)與鎖定放大電路微弱信號(hào)檢測(cè)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(hào)的檢測(cè)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(hào)的頻率，利用控制器測(cè)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(hào)，該信號(hào)作為相關(guān)檢測(cè)所需的參考信號(hào)。系統(tǒng)采用乘法器和積分電路實(shí)現(xiàn)相關(guān)檢測(cè)，通過步進(jìn)調(diào)整參考信號(hào)的相位，使互相關(guān)值最大，獲得與被測(cè)信號(hào)同頻同相的再生信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測(cè)與放大。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)頻率檢測(cè)及幅度檢測(cè)等功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表

2、明：在低信噪比條件下，該方法仍具有較好的線性測(cè)量特性和較高的準(zhǔn)確度，可實(shí)現(xiàn)任意波形的微弱信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)和再生放大。關(guān)鍵詞微弱信號(hào)檢測(cè)鎖相環(huán)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)中圖分類號(hào)TH7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1000—3932(2014)05~509—04從強(qiáng)噪聲背景下提取并檢測(cè)微弱信號(hào)，在無(wú)適的波形進(jìn)行相關(guān)處理，確定被檢測(cè)微弱信號(hào)的線通信、傳感器及機(jī)械設(shè)備檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣幅度與相位，從而獲得微弱信號(hào)的重建。泛¨。，具體的檢i貝4方法也從傳統(tǒng)的相關(guān)檢測(cè)、頻1鎖定檢測(cè)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(hào)檢測(cè)系階統(tǒng)計(jì)量及隨機(jī)共振等。由于微弱特征信號(hào)統(tǒng)如圖1所示。低信噪比信號(hào)通過低噪放大器進(jìn)(如有周期信號(hào)、脈沖信號(hào)、沖擊信號(hào)及非周期信行幅度放大，由鎖相環(huán)提取被檢信號(hào)的頻率，該頻號(hào)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(hào)和噪聲的混合本地參考信號(hào)，該信號(hào)與被檢信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)造成待測(cè)信號(hào)較為復(fù)雜，通常根據(jù)噪聲特征和微算。由于互相關(guān)運(yùn)算與兩者的相位差有關(guān)，因此弱信號(hào)的特點(diǎn)選擇合適的檢測(cè)方法?？刂破鞑竭M(jìn)調(diào)整參考信號(hào)的相位使互相關(guān)值最互相關(guān)檢測(cè)方法是根據(jù)接收信號(hào)的

4、頻率，在大，此時(shí)DDS輸出的信號(hào)與被檢信號(hào)同頻同相，接收端產(chǎn)生與待測(cè)信號(hào)頻率相同的參考信號(hào)，將再經(jīng)放大器即可獲得所需信號(hào)的幅度。顯然，微參考信號(hào)與混有噪聲的被檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處弱信號(hào)檢測(cè)的靈敏度與檢測(cè)信號(hào)的帶寬取決于鎖理，利用信號(hào)與噪聲的不同的相關(guān)特性提取信號(hào)。相環(huán)的性能，被檢信號(hào)的相位恢復(fù)取決于DDS的在互相關(guān)檢測(cè)方法中，需要了解被檢信號(hào)的頻率，相位控制精度。確定參考信號(hào)的頻率，并調(diào)整參考信號(hào)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(cè)方法，往往假定被檢測(cè)信號(hào)的頻率，參考信號(hào)采用方波進(jìn)行互相關(guān)，而在理論分析時(shí)，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(cè)存在一定的缺陷，如缺乏頻率自動(dòng)檢測(cè)圖1微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)框圖與跟蹤能力、方波的諧波成分對(duì)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(hào)檢測(cè)，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(hào)檢測(cè)方案，利用鎖相技術(shù)提取被檢信號(hào)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(xiàng)目：武漢工程大學(xué)校長(zhǎng)基金資助項(xiàng)目510

6、化工自動(dòng)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(hào)跟被檢信號(hào)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(shí)，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(hào)，并將分頻器前、后的方波信號(hào)均輸出至成。筆者設(shè)計(jì)的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)選用模擬集成單片機(jī)；當(dāng)檢測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)(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(shí)單片機(jī)采集的信號(hào)頻率為C1470nFfo，；若檢測(cè)信號(hào)

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(shí)單片機(jī)采集的位Il疆廣—__1r電z信號(hào)頻率為廠0。這里，鎖相環(huán)的中心頻率fo=反定時(shí)}O．35電容I9j—CT。T6?圖2中，9腳所外接定時(shí)電容由單片機(jī)控制，越可以通過更換不同的電容來(lái)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(hào)相關(guān)檢測(cè)用參模擬集成鎖相環(huán)LM565的工作頻率在0．001考信號(hào)，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(zhǎng)32位)和高性能的

8、10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(工作時(shí)鐘鎖定范圍±60％。壓控振蕩器的中心頻率由定時(shí)180MHz)，采用的時(shí)鐘頻率為180MHz時(shí)，頻率分電阻R(8端)和定時(shí)電容c(9端)決定，考慮到辨率為0．03Hz?？蓪?duì)輸出正弦波信