專利名稱：基于帳篷映射模型的信號放大電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微弱信號檢測與處理領域。特別是針對強噪聲背景下的微弱信號，根 據(jù)混沌運動的基本特征及混沌映射之一的帳篷映射模型而設計的一種信號放大電路。
背景技術：
傳統(tǒng)的信號放大方法是建立在線性放大原理上的，在信號放大中發(fā)揮著十分重要 的作用。線性放大原理在一定的線性范圍內(nèi)容易實現(xiàn)不失真放大，然而當信號中含有噪聲 時，線性放大器在放大有用信號的同時噪聲以及測量誤差也會被成比例的放大，從而影響 放大效果，而且放大倍數(shù)常常受到系統(tǒng)線性工作范圍的限制。利用混沌理論進行信號檢測 與放大，尤其是微弱信號的檢測與放大可以改善上述不足?；煦邕\動的最大特點之一就是對初值的敏感依賴性，即混沌系統(tǒng) 中初值若有一個 微小的變化就會引起運動軌道的巨大變化。利用這一特點，可以設計出初值與混沌軌道具 有一一對應關系的數(shù)學模型及測量放大系統(tǒng)，只要能將被測信號轉(zhuǎn)換為混沌式測量系統(tǒng)的 初值就可以實現(xiàn)在有限區(qū)間內(nèi)對微弱信號的放大，而且信號放大倍數(shù)不受限制，靈敏度高， 抗干擾能力強。因此，這一特點為微弱信號的檢測與處理提供了一種有應用價值的前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種基于帳篷映射模型的信號放大電路。本 發(fā)明解決技術問題所采取的技術方案為基于帳篷映射模型的信號放大電路包括信號輸出模塊、主控模塊、通信模塊和電 源模塊，主控模塊的輸出端與信號輸出模塊連接，通信模塊與主控模塊信號連接，電源模塊 為信號輸出模塊、主控模塊和通信模塊提供電源。所述的主控模塊包括單片機U1，單片機Ul的39腳與第一接插件Pl的1腳、第一 電容C17的一端連接，第一電容C17的另一端、第一接插件Pl的2腳接地。單片機Ul的38 腳與第二接插件P2的1腳、第二電容C18的一端連接，第二電容C18的另一端、第二接插件 P2的2腳接地。接插件Pl和接插件P2作為信號輸入端，由單片機Ul采集38腳和39腳的 信號。單片機Ul的9腳與電源模塊中的第一電阻Rl的一端、第三電容Cl的負端連接；第 一電阻Rl的另一端接地，第三電容Cl的正端接+5V電源。單片機Ul的18腳與晶振Yl的 一端、第四電容C5的一端連接，單片機Ul的19腳與晶振Yl的另一端、第五電容C4的一端 連接。第四電容C5的另一端、第五電容C4的另一端接地。所述的信號輸出模塊包括鎖存器U3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4和運算放大器U5。鎖存器U3 的3腳、4腳、7腳、8腳、13腳、14腳、17腳和18腳分別與單片機Ul的21腳、22腳、23腳、 24腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接，鎖存器U3的11腳與單片機Ul的30腳連接，鎖存器 U3的1腳接地、鎖存器U3的20腳接電源。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的1腳、17腳與鎖存器U3的2腳連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的2腳、18 腳與單片機Ul的16腳連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的4腳、5腳、6腳、7腳、16腳、15腳、14腳、13腳分別與單片機Ul的24腳、23腳、22腳、21腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換器 U4的3腳、10腳、12腳接地，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的8腳與+5V電源、第六電容ClO的正端、第七 電容Cll的一端連接，第六電容ClO的負端、第七電容Cll的另一端接地。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4 的19腳、20腳與+5V電源、第八電容C7的正端、第九電容C6的一端連接，第八電容C7的負 端、第九電容C6的另一端接地。運算放大器TO的反向輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的11腳連接，正向輸入端接地，輸 出端與第二電阻R2的一端連接，第二電阻R2的另一端接數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的9腳。第三接插 件P3的1腳與第十電容C19的一端、運算放大器TO的輸出端連 接，第十電容C19的另一端、 第三接插件P3的2腳接地。所述的通信模塊包括通信芯片U2，通信芯片U2的1腳與第十一電容C12的一端連 接，第十一電容C12的另一端接通信芯片U2的3腳；通信芯片U2的4腳與第十二電容C13 的一端連接，第十二電容C13的另一端接通信芯片U2的5腳；通信芯片U2的11腳接單片 機Ul的11腳；通信芯片U2的12腳接單片機Ul的10腳。通信芯片U2的16腳、第十三電 容C14的負端、第十四電容C16的正端接+5V電源；第十三電容C14的正端接通信芯片U2 的2腳，第十四電容C16的負端接地。通信芯片U2的14腳接串口 J2的2腳，通信芯片U2 的13腳接串口 J2的3腳，通信芯片U2的6腳與第十四電容C15的負端連接，第十五電容 C15的正端接地。開關Sl的輸出端、第三電阻R3的一端、第十六電容C2的正端、第十七電容C3的 一端接+5V電源，第三電阻R3的另一端與發(fā)光二極管Dl的正端連接，發(fā)光二極管Dl的負 端接地，第十六電容C2的負端、第十七電容C3的另一端接地。第十八電容C8的正端、第十九電容C9的一端、運算放大器TO的供電端接+5V電 源，第十八電容C8的負端、第十九電容C9的另一端接地。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明利用混沌運動的最大特點之一的初值的敏感依賴性設 計出初值與混沌軌道具有一一對應關系的數(shù)學模型及測量放大電路，只要能將被測信號轉(zhuǎn) 換為混沌式測量系統(tǒng)的初值就可以實現(xiàn)在有限區(qū)間內(nèi)對微弱信號的放大，而且信號放大倍 數(shù)不受限制，靈敏度高，抗干擾能力強。


圖1為本發(fā)明主控模塊電路圖；圖2為本發(fā)明信號輸出模塊電路圖；圖3為通信模塊電路圖；圖4為附屬電路圖；圖5為帶噪聲的幅值為0. 001的正弦信號經(jīng)發(fā)明電路放大后的結(jié)果圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。基于帳篷映射模型的信號放大電路包括信號輸出模塊、主控模塊、通信模塊和電 源模塊，主控模塊的輸出端與信號輸出模塊連接，通信模塊與主控模塊信號連接，電源模塊 為信號輸出模塊、主控模塊和通信模塊提供電源。
如圖1所示，主控模塊包括單片機U1，單片機Ul的39腳與第一接插件Pl的 1腳、第一電容C17的一端連接，第一電容C17的另一端、第一接插件Pl的2腳接地。 STC12C5A60S2單片機Ul的38腳與第二接插件P2的1腳、第二電容C18的一端連接，第二 電容C18的另一端、第二接插件P2的2腳接地。接插件Pl和接插件P2作為信號輸入端， 由單片機Ul采集38腳和39腳的信號。單片機Ul的9腳與電源模塊中的第一電阻Rl的 一端、第三電容Cl的負端連接；第一電阻Rl的另一端接地，第三電容Cl的正端接+5V電 源。單片機Ul的18腳與晶振Yl的一端、第四電容C5的一端連接，單片機Ul的19腳與晶 振Yl的另一端、第五電容C4的一端連接。第四電容C5的另一端、第五電容C4的另一端接 地。單片機Ul的型號為STC12C5A60S2。如圖2所示，信號輸出模塊包括鎖存器U3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4和運算放大器TO。鎖存 器U3的3腳、4腳、7腳、8腳、13腳、14腳、17腳和18腳分別與單片機Ul的21腳、22腳、23 腳、24腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接，鎖存器U3的11腳與單片機Ul的30腳連接，鎖存 器U3的1腳接地、鎖存器U3的20腳接電源。鎖存器U3的型號為SN74S373JB(20)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的1腳、17腳與鎖存器U3的2腳連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的2腳、18 腳與單片機Ul的16腳連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的4腳、5腳、6腳、7腳、16腳、15腳、14腳、13 腳分別與單片機Ul的24腳、23腳、22腳、21腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換器 U4的3腳、10腳、12腳接地，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的8腳與+5V電源、第六電容ClO的正端、第七 電容Cll的一端連接，第六電容ClO的負端、第七電容Cll的另一端接地。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4 的19腳、20腳與+5V電源、第八電容C7的正端、第九電容C6的一端連接，第八電容C7的負 端 、第九電容C6的另一端接地。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的型號為DAC0832。運算放大器TO的反向輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的11腳連接，正向輸入端接地，輸 出端與第二電阻R2的一端連接，第二電阻R2的另一端接數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的9腳。第三接插 件P3的1腳與第十電容C19的一端、運算放大器TO的輸出端連接，第十電容C19的另一端、 第三接插件P3的2腳接地。運算放大器U5的型號為LM324。如圖3所示，通信模塊包括通信芯片U2，通信芯片U2的1腳與第十一電容C12的 一端連接，第十一電容C12的另一端接通信芯片U2的3腳；通信芯片U2的4腳與第十二電 容C13的一端連接，第十二電容C13的另一端接通信芯片U2的5腳；通信芯片U2的11腳 接單片機Ul的11腳；通信芯片U2的12腳接單片機Ul的10腳。通信芯片U2的16腳、第 十三電容C14的負端、第十四電容C16的正端接+5V電源；第十三電容C14的正端接通信芯 片U2的2腳，第十四電容C16的負端接地。通信芯片U2的14腳接串口 J2的2腳，通信芯 片U2的13腳接串口 J2的3腳，通信芯片U2的6腳與第十四電容C15的負端連接，第十五 電容C15的正端接地。通信芯片U2的型號為MAX232ACPE。如圖4所示，開關Sl的輸出端、第三電阻R3的一端、第十六電容C2的正端、第十七 電容C3的一端接+5V電源，第三電阻R3的另一端與發(fā)光二極管Dl的正端連接，發(fā)光二極 管Dl的負端接地，第十六電容C2的負端、第十七電容C3的另一端接地。第十八電容C8的 正端、第十九電容C9的一端、運算放大器U5的供電端接+5V電源，第十八電容C8的負端、 第十九電容C9的另一端接地。該部分電路只要用于指示整個放大電路的工作狀態(tài)和對外 接的+5V電源起到濾波作用。以下進一步描述該信號放大電路
在復位電路中，第一電阻Rl給第三電容Cl充電，第三電容Cl的電壓緩慢上升直 到Vcc，沒到Vcc時芯片復位腳近似低電平，于是芯片復位，接近Vcc時芯片復位腳接近高電 平，于是芯片停止復位，復位完成。電容02，03，(10，(11，06，07，08，09均屬于電源電容。其中，第十六電容C2，第八 電容C7，第六電容C10，第十八電容C8屬于電解電容，既有濾除低頻信號的作用又有去耦的 作用，它們把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。它們有很大的電感成 份，所以頻率高后反而阻抗會增大。而與它們并聯(lián)的小電容第十七電容C3，第七電容C11， 第九電容C6，第十九電容C9濾高頻信號。晶振電容第五電容C4，第四電容C5會影響到晶振的諧振頻率和輸出幅度，晶振引 腳可以等效為電容三點式振蕩器。石英晶體也連接在晶振引腳的輸入和輸出之間，等效為 一個并聯(lián)諧振回路，振蕩頻率應該是石英晶體的并聯(lián)諧振頻率。晶體旁邊的兩個電容接地， 實際上就是電容三點式電路的分壓電容，接地點就是分壓點。以接地點即分壓點為參考點， 振蕩引腳的輸入和輸出是反相的，但從并聯(lián)諧振回路即石英晶體兩端來看，形成一個正反 饋以保證電路持續(xù)振蕩這兩個電容串聯(lián)的值是并聯(lián)在諧振回路上的，會影響振蕩頻率。當 兩個電容量相等時，反饋系數(shù)是0.5，一般可以滿足振蕩條件。電路的具體運行過程為
從信號源得到的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號后由控制器進行信號處 理。模擬信號經(jīng)Pl. 0和Pl. 1 口輸入STC12C5A60S2單片機進行A/D轉(zhuǎn)換(采樣時間為 0. Ols)，由寄存器保存并由從串口輸入的單片機程序控制完成相應的算法。對于每個采樣 點，首先將單片機及D/A上所有硬件(包括相應寄存器、看門狗及中斷)初始化；隨后打開 定時器，由于采樣模擬信號時間間隔為0. Ols,因此設定定時器定時時間為0. Ols,采用定 時中斷的方式。定時器打開的具體工作流程為關中斷——設定時器初值——開中斷—— 定時器打開，定時器設置為定時器T0，工作方式1 (此工作方式允許16位定時器/計數(shù)器工 作)。在定時器打開的同時A/D開始按照預先設置的采樣間隔對模擬信號進行采樣，并等待 直至對該采樣點采樣完畢后送至單片機進行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)推斷，每個采樣點運算處理時 間遠不及采樣間隔0.01s，故當采樣點采樣完畢后，判斷是否經(jīng)歷0.01s，若沒達到該時間 間隔，則處于等待狀態(tài)；若達到0. 01s，則進行開定時器進行下一點的數(shù)據(jù)采樣。依此步驟 不斷循環(huán)，直至運行完所有采樣點所對應的運算。在D/A轉(zhuǎn)換是根據(jù)相應帳篷映射算法構(gòu)造出來的。D/A轉(zhuǎn)換具體的步驟為將片選 信號輸入線&置低電平，選中D/A轉(zhuǎn)換芯片。再將數(shù)據(jù)傳送控制信號輸入線:^置低電 平，允許數(shù)據(jù)從輸入鎖存器傳輸至DAC鎖存器。隨后分別用將輸入鎖存器寫選通輸入線· 和DAC寄存器寫選通信號輸入線.置低電平。使得信號先由數(shù)據(jù)線進入輸入鎖存器，再 由輸入鎖存器進入DAC鎖存器，同時進入D/A轉(zhuǎn)換器并開始轉(zhuǎn)換，并在示波器上顯示結(jié)果。從圖5可以看出，經(jīng)過帳篷映射放大系統(tǒng)的信號被放大的同時，信號中的噪聲得 到了明顯的抑制。其原因是對于帳篷映射放大系統(tǒng)，輸入與輸出一一對應的迭代關系可以 選在中低頻有界帶寬內(nèi)，類似于低通濾波器，噪聲及干擾信號一般都具有高頻特征，因而在 輸入端就會遭受有效的阻隔，起到抑制噪聲的作用。
權(quán)利要求
基于帳篷映射模型的信號放大電路，包括信號輸出模塊、主控模塊、通信模塊和電源模塊，其特征在于主控模塊的輸出端與信號輸出模塊連接，通信模塊與主控模塊信號連接，電源模塊為信號輸出模塊、主控模塊和通信模塊提供電源；所述的主控模塊包括單片機U1，單片機U1的39腳與第一接插件P1的1腳、第一電容C17的一端連接，第一電容C17的另一端、第一接插件P1的2腳接地；單片機U1的38腳與第二接插件P2的1腳、第二電容C18的一端連接，第二電容C18的另一端、第二接插件P2的2腳接地；單片機U1的9腳與電源模塊中的第一電阻R1的一端、第三電容C1的負端連接；第一電阻R1的另一端接地，第三電容C1的正端接+5V電源；單片機U1的18腳與晶振Y1的一端、第四電容C5的一端連接，單片機U1的19腳與晶振Y1的另一端、第五電容C4的一端連接；第四電容C5的另一端、第五電容C4的另一端接地；所述的信號輸出模塊包括鎖存器U3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4和運算放大器U5，鎖存器U3的3腳、4腳、7腳、8腳、13腳、14腳、17腳和18腳分別與單片機U1的21腳、22腳、23腳、24腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接，鎖存器U3的11腳與單片機U1的30腳連接，鎖存器U3的1腳接地、鎖存器U3的20腳接電源；數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的1腳、17腳與鎖存器U3的2腳連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的2腳、18腳與單片機U1的16腳連接；數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的4腳、5腳、6腳、7腳、16腳、15腳、14腳、13腳分別與單片機U1的24腳、23腳、22腳、21腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接；數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的3腳、10腳、12腳接地，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的8腳與+5V電源、第六電容C10的正端、第七電容C11的一端連接，第六電容C10的負端、第七電容C11的另一端接地；數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的19腳、20腳與+5V電源、第八電容C7的正端、第九電容C6的一端連接，第八電容C7的負端、第九電容C6的另一端接地；運算放大器U5的反向輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的11腳連接，正向輸入端接地，輸出端與第二電阻R2的一端連接，第二電阻R2的另一端接數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的9腳；第三接插件P3的1腳與第十電容C19的一端、運算放大器U5的輸出端連接，第十電容C19的另一端、第三接插件P3的2腳接地；所述的通信模塊包括通信芯片U2，通信芯片U2的1腳與第十一電容C12的一端連接，第十一電容C12的另一端接通信芯片U2的3腳；通信芯片U2的4腳與第十二電容C13的一端連接，第十二電容C13的另一端接通信芯片U2的5腳；通信芯片U2的11腳接單片機U1的11腳；通信芯片U2的12腳接單片機U1的10腳；通信芯片U2的16腳、第十三電容C14的負端、第十四電容C16的正端接+5V電源；第十三電容C14的正端接通信芯片U2的2腳，第十四電容C16的負端接地；通信芯片U2的14腳接串口J2的2腳，通信芯片U2的13腳接串口J2的3腳，通信芯片U2的6腳與第十四電容C15的負端連接，第十五電容C15的正端接地；開關S1的輸出端、第三電阻R3的一端、第十六電容C2的正端、第十七電容C3的一端接+5V電源，第三電阻R3的另一端與發(fā)光二極管D1的正端連接，發(fā)光二極管D1的負端接地，第十六電容C2的負端、第十七電容C3的另一端接地；第十八電容C8的正端、第十九電容C9的一端、運算放大器U5的供電端接+5V電源，第十八電容C8的負端、第十九電容C9的另一端接地。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于帳篷映射模型的信號放大電路。傳統(tǒng)的信號放大電路在放大有用信號的同時噪聲以及測量誤差也會被成比例的放大。本發(fā)明包括信號輸出模塊、主控模塊、通信模塊和電源模塊，信號輸出模塊包括鎖存器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和放大器。主控模塊中的單片機輸出口通過鎖存器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的信號經(jīng)放大器放大后輸出模擬信號。通信模塊與主控模塊信號連接，上位機可通過通信模塊訪問主控模塊，電源模塊為信號輸出模塊、主控模塊和通信模塊提供電源。本發(fā)明的信號放大倍數(shù)不受限制，且靈敏度高、抗干擾能力強。
文檔編號G01R29/00GK101833045SQ20101016156
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者劉鵬, 夏煒, 趙文禮 申請人:杭州電子科技大學