微弱信号检测与锁定放大电路-论文.pdf

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1、第5期田正武等．微弱信号检测与锁定放大电路微弱信号检测与锁定放大电路田正武熊俊俏裴建华林鹤鸣刘泽(武汉工程大学电气信息学院，武汉430205)摘要介绍了一种微弱信号的检测与锁定放大方法。通过模拟锁相环工作锁定待检微弱信号的频率，利用控制器测量该锁相环的输出频率，并根据该频率值控制直接数字合成电路产生同频信号，该信号作为相关检测所需的参考信号。系统采用乘法器和积分电路实现相关检测，通过步进调整参考信号的相位，使互相关值最大，获得与被测信号同频同相的再生信号，从而实现微弱信号的检测与放大。该方法能够实现频率检测及幅度检测等功能。经实验测试表

2、明：在低信噪比条件下，该方法仍具有较好的线性测量特性和较高的准确度，可实现任意波形的微弱信号自动检测和再生放大。关键词微弱信号检测锁相环直接数字频率合成技术中图分类号TH7文献标识码A文章编号1000—3932(2014)05~509—04从强噪声背景下提取并检测微弱信号，在无适的波形进行相关处理，确定被检测微弱信号的线通信、传感器及机械设备检测等领域应用广幅度与相位，从而获得微弱信号的重建。泛¨。，具体的检i贝4方法也从传统的相关检测、频1锁定检测放大器的工作原理与电路谱分析发展到小波分析、神经网络、混沌振子、高基于锁相环和DDS技术

3、的微弱信号检测系阶统计量及随机共振等。由于微弱特征信号统如图1所示。低信噪比信号通过低噪放大器进(如有周期信号、脉冲信号、冲击信号及非周期信行幅度放大，由锁相环提取被检信号的频率，该频号等)和噪声(如白噪声、高斯噪声及窄带噪声率值通过控制器传输给DDS，DDS产生同频率的等)的种类较多，不同特性的信号和噪声的混合本地参考信号，该信号与被检信号进行互相关运造成待测信号较为复杂，通常根据噪声特征和微算。由于互相关运算与两者的相位差有关，因此弱信号的特点选择合适的检测方法。控制器步进调整参考信号的相位使互相关值最互相关检测方法是根据接收信号的

4、频率，在大，此时DDS输出的信号与被检信号同频同相，接收端产生与待测信号频率相同的参考信号，将再经放大器即可获得所需信号的幅度。显然，微参考信号与混有噪声的被检测信号进行相关处弱信号检测的灵敏度与检测信号的带宽取决于锁理，利用信号与噪声的不同的相关特性提取信号。相环的性能，被检信号的相位恢复取决于DDS的在互相关检测方法中，需要了解被检信号的频率，相位控制精度。确定参考信号的频率，并调整参考信号的相位，使制参数显示互相关值最大。传统的互相关检测方法，往往假定被检测信号的频率，参考信号采用方波进行互相关，而在理论分析时，将方波分解为基波和

5、谐骅波，通过滤波滤除谐波成分的影响，因此传统的互相关检测存在一定的缺陷，如缺乏频率自动检测图1微弱信号检测系统框图与跟踪能力、方波的谐波成分对互相关的影响，特1．1锁相环电路别是频率较低的信号检测，受谐波的影响更大。锁相环是一种相位反馈控制电路，通过相位为此，笔者提出了一种基于锁相环和直接数字频率合成(DirectDigitalSynthnesizer，DDS)技术的微弱信号检测方案，利用锁相技术提取被检信号的收稿日期：2Ol3-09·28(修改稿)频率，并以该频率为参考，通过DDS技术选择合基金项目：武汉工程大学校长基金资助项目510

6、化工自动化及仪表第4l卷的控制获得频率同步，因此锁相环输出的频率与接电容c，和内部电阻R。组成，适合宽带信号跟被检信号的频率同步，但保持稳定的相位差。锁踪。当锁相环处于入锁状态时，输出稳定的同频相环主要由鉴相器、压控振荡敲器和环路滤波器构方波信号，并将分频器前、后的方波信号均输出至成。笔者设计的微弱信号检测系统选用模拟集成单片机；当检测信号频率较低时(如低于2kHz)，锁相环LM565，其电路如图2所示。利用10分频电路提高VCO的工作频率，提高锁一l2V+l2V相环的工作效率，此时单片机采集的信号频率为C1470nFfo，；若检测信号

7、频率较高(如高于20kHz)，可直工接将4脚输出与5脚相连接，此时单片机采集的位Il疆广—__1r电z信号频率为厂0。这里，锁相环的中心频率fo=反定时}O．35电容I9j—CT。T6⋯图2中，9脚所外接定时电容由单片机控制，越可以通过更换不同的电容来选择不同的压控振荡l4lS1I器工作频段。l1．2DDS与频率合成图2锁相环电路图1中的DDS提供微弱信号相关检测用参模拟集成锁相环LM565的工作频率在0．001考信号，这里选用AD9850(其内部频率控制字字～一500000．O00Hz，鉴频失真度低于0．2％，最大长32位)和高性能的

8、10位数模转换器(工作时钟锁定范围±60％。压控振荡器的中心频率由定时180MHz)，采用的时钟频率为180MHz时，频率分电阻R(8端)和定时电容c(9端)决定，考虑到辨率为0．03Hz。可对输出正弦波信