專利名稱：一種微弱信號檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微弱信號檢測裝置，特別涉及一種包括信號通道單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和 處理器的微弱信號檢測裝置。
背景技術(shù)：
微弱信號檢測是測量技術(shù)中的前沿領(lǐng)域， 一般通過傳感器作電量轉(zhuǎn)換，使檢測對象轉(zhuǎn) 換為電量。當(dāng)有用信號被大量噪聲掩蓋時，使測量受到較大限制。微弱信號檢測主要手段是 提高信號的信噪比。目前微弱信號檢測技術(shù)的方法是通過鎖相放大法，鎖相放大法又分為數(shù) 字鎖相檢測法和模擬鎖相檢測法。采用模擬鎖相檢測方法檢測微弱信號的裝置主要由信號通 道單元，參考單元，相敏檢波單元，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，處理器組成。該裝置的工作過程為調(diào) 制到固定頻率的待檢測信號a經(jīng)過信號通道單元放大濾波后輸出信號b;參考單元輸出與信 號b同頻同相的信號d;信號b和信號d同時送入相敏檢波單元，相敏檢波單元濾掉調(diào)制頻
率的2倍頻信號，獲得差頻相的直流成分得到輸出信號e，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采樣得到量
化輸出信號f，處理器通過讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的量化輸出信號f，得到最終的測量結(jié)果。 數(shù)字鎖相放大檢測方法檢測微弱信號的裝置主要由信號通道單元，參考單元，模數(shù)轉(zhuǎn)
換單元和處理器組成，省略了相敏檢波單元。該裝置的工作過程為待檢測信號g經(jīng)過信號 通道單元放大濾波后輸出信號h;參考信號經(jīng)參考單元移相輸出信號j，信號h和信號j一 同送給模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將信號h和信號j數(shù)字化以后輸出信號k送給處理器， 處理器根據(jù)信號h和信號j計算獲得最終的測量結(jié)果，實際上就是處理器完成相敏檢波的工 作。
采用數(shù)字鎖相檢測法和模擬鎖相檢測法檢測微弱信號的裝置雖然都能實現(xiàn)微弱信號的 檢測，但是系統(tǒng)硬件較為復(fù)雜，無論模擬鎖相法，還是數(shù)字鎖相法，不僅需要信號通道的處 理，還需要通過一些方法產(chǎn)生特定的參考信號。除此之外，模擬鎖相法還需要相敏檢波器(模擬乘法器)；數(shù)字鎖相法需要兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換，分別對參考信號和待檢測信號進(jìn)行采樣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本低的微弱信號檢測裝置。 本發(fā)明的微弱信號檢測裝置包括信號通道單元，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，處理器；經(jīng)過調(diào)制的待 檢測信號輸入到信號通道單元，由信號通道單元進(jìn)行放大和濾波；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對信號通道 單元輸出的模擬信號進(jìn)行釆樣后輸出量化信號；處理器產(chǎn)生與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號 同頻同相的參考信號，并且對該量化信號與參考信號進(jìn)行相干解調(diào)，最后進(jìn)行低通濾波得到 測量結(jié)果。
本發(fā)明由于采用處理器來產(chǎn)生與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號同頻同相的參考信號，并 且在處理器中對該量化信號與參考信號進(jìn)行相干解調(diào)，最后進(jìn)行低通濾波得到測量結(jié)果，不 需要產(chǎn)生特定參考信號、進(jìn)行相干解調(diào)及低通濾波的裝置，因而硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低。 所述的處理器應(yīng)用軟件包括
參考信號產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號同頻同相的參考信號； 相干解調(diào)模塊，用于對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號與參考信號進(jìn)行相干解調(diào)； 數(shù)字濾波輸出模塊，用于對相干解調(diào)模塊輸出的信號進(jìn)行低通濾波。
所述的參考信號產(chǎn)生模塊采用數(shù)字鎖相環(huán)；數(shù)字鎖相環(huán)包括數(shù)控振蕩器(DCO)，第一 乘法器，第二乘法器，第三乘法器，第一環(huán)路濾波器，第二環(huán)路濾波器；數(shù)控振蕩器輸出與 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號同頻的正弦信號，該正弦信號分成兩路； 一路正弦信號與模數(shù) 轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號經(jīng)第一乘法器相乘，相乘后的信號由第一環(huán)路濾波器濾波形成第一 路低頻信號；數(shù)控振蕩器輸出的另一路正弦信號移相^/2后與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號 經(jīng)第二乘法器相乘，相乘后的信號由第二環(huán)路濾波器濾波形成第二路低頻信號；第一路低頻 信號和第二路低頻信號相乘后反饋到數(shù)控振蕩器，由數(shù)控振蕩器輸出與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的 量化信號同頻同相的參考信號。
所述的數(shù)字鎖相環(huán)還包括低通濾波器；第一路低頻信號和第二路低頻信號相乘后經(jīng)過 低通濾波器進(jìn)一步濾波后反饋到數(shù)控振蕩器。由于參考信號產(chǎn)生模塊采用數(shù)字鎖相環(huán)形成閉環(huán)控制，數(shù)控振蕩器輸出的參考信號相 位逐步逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號的相位，使得模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號與參考 信號相干解調(diào)后的差頻分量變成直流分量，和頻分量由數(shù)字濾波輸出模塊衰減，得到測量結(jié) 果，因而測量靈敏度高、動態(tài)范圍寬。
所述的信號通道單元包括放大電路，增益控制電路，抗混疊濾波器；經(jīng)過調(diào)制的待測 信號經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大后送入增益控制電路，由增益控制電路對信號進(jìn)行增益放大；增 益控制電路輸出的信號送入抗混疊濾波器，由抗混疊濾波器濾除高頻噪聲以及完成AD模數(shù) 轉(zhuǎn)換器的阻抗匹配后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。
待測信號經(jīng)過放大電路放大輸出后，利用增益控制電路對放大信號進(jìn)行增益控制，將 放大信號調(diào)整到模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采樣的最佳電平，提高了信噪比和微弱信號測量的動態(tài)范圍； 采用抗混疊濾波器濾除高頻噪聲，避免了后續(xù)采樣的信號混疊失真，同時抑制高頻噪聲，進(jìn) 一步提高了信噪比。
所述的放大電路由前置放大器和二級放大器組成；待測信號經(jīng)過前置放大器放大后輸 入二級放大器，經(jīng)過二級放大器進(jìn)一步放大后輸入增益控制電路。
所述的前置放大器選用低噪聲放大器；選用高輸入阻抗，高共模抑制比的低噪聲放大 器目的是為更少的引入噪聲并完成與信號源阻抗匹配。因為信號非常微弱，僅僅依靠前置放 大是不夠的，所以采用二級放大器進(jìn)一步放大。
所述的增益控制電路選用可編程增益控制器?？删幊淘鲆婵刂破骺梢酝ㄟ^軟件編程來 調(diào)整增益倍數(shù)，因此可以根據(jù)待測信號的強度調(diào)節(jié)增益控制電路的增益倍數(shù)，從而能夠有效 地將放大電路輸出的信號調(diào)整到模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采樣的最佳電平，提高了信噪比和微弱信號測 量的動態(tài)范圍。
所述的抗混疊濾波器選用有源低通濾波器。
所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采用雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣頻率須設(shè)為,=(m+l) /￡，其中m為正整數(shù)，/。為信號載波頻下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


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圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。圖中l(wèi)為信號通道單元，2模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，3處理器。
圖2為本發(fā)明信號通道單元1結(jié)構(gòu)框圖。圖中為ll放大電路，12增益控制電路，13 抗混疊濾波器，lll前置放大器，112二級放大器。
圖3為本發(fā)明處理器3應(yīng)用軟件功能模塊示意圖。圖中31為參考信號產(chǎn)生模塊，32相 干解調(diào)模塊，33數(shù)字濾波輸出模塊。
圖4為本發(fā)明處理器3應(yīng)用軟件參考信號產(chǎn)生模塊31不意圖。圖中311為數(shù)控振蕩器， 312第一乘法器，313第二乘法器，314第三乘法器，315第一環(huán)路濾波器，316第二環(huán)路濾 波器，317低通濾波器。
圖5為本發(fā)明數(shù)字鎖相環(huán)跟蹤效果圖
具體實施例方式
本發(fā)明如圖l、 2所示，包括信號通道單元l,模數(shù)轉(zhuǎn)換單元2，處理器3。所述的信號 通道￥-元1包括放大電路11、增益控制電路12和抗混疊濾波器13;其中放大電路11包括 前置放人器111和二級放大器112。前置放大器111為弱信號前級運算放大器，采用高精度， 低噪聲的儀表放大器INA121; 二級放大器112采用OP07型放大器。增益控制電路12采用 可編程增益控制器，其型號為AD8321?？够殳B濾波器13采用運算放大器(OP07)實現(xiàn)有 源低通濾波。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元2采用雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其型號為AD676。處理器3采用數(shù) 字信號處理器3,其型號為TMS320C5509。
圖3所示，處理器應(yīng)用軟件包括參考信號產(chǎn)生模塊31,相干解調(diào)模塊32，數(shù)字濾波輸 出模塊33。所述的參考信號產(chǎn)生模塊31采用數(shù)字鎖相環(huán)；本發(fā)明的數(shù)字鎖相環(huán)采用costas 環(huán)，如圖4所示，包括數(shù)控振蕩器311，第一乘法器312，第二乘法器313，第三乘法器314， 第一環(huán)路濾波器315，第二環(huán)路濾波器316,低通濾波器317。本發(fā)明的工作過程為輸入 信號為被調(diào)制到125Hz頻率的待檢測信號XQ。待檢測信號xo經(jīng)過前置放大器111放大后輸 出信號Xl，信號^送入二級放大器112，經(jīng)二級放大器112進(jìn)一步放大形成信號x2。為防止信號x2的幅值超過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元2測量的輸入范圍以及提高測量的精度和動態(tài)范圍，二級
放大器112的輸出信號X2送入增益控制電路12，信號X2經(jīng)編程增益控制器增益控制后形成 信號X3，信號X3送入抗混疊濾波器13。在抗混疊濾波器13中為盡可能消除混疊失真的影響， 采用運算放大器(OP07)實現(xiàn)4階有源低通濾波器，其3dB帶寬設(shè)為150Hz;信號^經(jīng)抗
混疊濾波器13濾波后輸出信號X4，信號X4送入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元2。由于正弦采樣的特點，這
里模數(shù)轉(zhuǎn)換單元2的采樣頻率設(shè)為1000Hz，即對信號進(jìn)行8倍過采樣。經(jīng)采樣得到的數(shù)字
信號X5送入處理器3。
模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號^ (n)輸入到參考信號產(chǎn)生模塊31。數(shù)控振蕩器311輸 出與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號同頻的正弦信號F(n)，該正弦信號分成兩路； 一路正弦 信號與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號A (n)經(jīng)第一乘法器312相乘，相乘后的信號由第一 環(huán)路濾波器315濾波形成第一路低頻信號K (n);數(shù)控振蕩器311輸出的另一路正弦信號移 相Ji/2后與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號A (n)經(jīng)第二乘法器313相乘，相乘后的信號由 第二環(huán)路濾波器316濾波形成第二路低頻信號^ (n);第一路低頻信號K (n)和第二路低 頻信號K (n)相乘后的信號經(jīng)過低通濾波器317進(jìn)一步濾波后反饋到數(shù)控振蕩器311，由 數(shù)控振蕩器311輸出與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號同頻同相的參考信號& (n)。
模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號A (n)與參考信號足(n)輸入至相干解調(diào)模塊32進(jìn)行 相干解調(diào)，得到輸出信號五o;最后信號五o輸入到數(shù)字濾波輸出模塊33濾波得到最終測量結(jié) 果。
設(shè)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號為A (n):= 4、。sK" + e。) e。為初始相位，Q"°<27r
設(shè)數(shù)控振蕩器311初始輸出的正弦信號為K (n): K(")wQ咖^
第一乘法器312輸出￡,(")*= ，[c。s(2化"+《)+ cos的)]
經(jīng)第一環(huán)路濾波器315后輸出第一路低頻信號W ) = ，*c。s(《)
同理，經(jīng)第二環(huán)路濾波器316后輸出第二路低頻信號^(")二^^^os(《+2)第一路低頻信號與第二路低頻信號相乘得<formula>formula see original document page 9</formula>在P。較小的情況下，數(shù)控振蕩器311的反饋控制信號:^ -^《
設(shè)定數(shù)控振蕩器311的輸出信號"")=e。s("￡"-"Kc)
通過試驗選取K為合適的數(shù)值，使參考信號相位精度滿足裝置的要求，即可控制數(shù)控振
蕩器311的輸出信號V(n)逐漸逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號的相位。如圖5所示，假設(shè) 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號初始相位為-2* 1/3，鎖相環(huán)輸出相位可以達(dá)到-2.094395。
模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號^ (n)與參考信號& (n)(即數(shù)控振蕩器311的輸出信 號V(n))輸入至相干解調(diào)模塊32進(jìn)行相干解調(diào)。
設(shè)參考信號五，=[(^V +《)]，
模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號為<formula>formula see original document page 9</formula>前項是差頻分量'式中
后項是和頻分量，因信號頻率已知，當(dāng)用數(shù)字鎖相環(huán)得到與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號相
位相同的參考信號時，差頻分量就變成直流分量1^4，和頻分量變?yōu)?倍頻分量。
其后相干信號&經(jīng)過數(shù)字濾波輸出模塊33,使差頻信號(直流分量)順利通過，并衰
減和頻分量，得到檢出信號丄44。
本發(fā)明不限于上述實施方式，處理器3還可以采用其他如可編程邏輯器件(FPGA)、 ARM、單片機或PC機等具有信號分析處理能力的器件。只要是采用具有信號分析處理能力的 器件產(chǎn)生與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號同頻同相的參考信號，并且對該量化信號與參考信 號進(jìn)行相干解調(diào)，最后進(jìn)行低通濾波得到測量結(jié)果，都不脫離本發(fā)明的思想，都在本發(fā)明意 圖保護(hù)的范圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求
1. 一種微弱信號檢測裝置，包括信號通道單元(1)，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(2)，處理器(3)；經(jīng)過調(diào)制的待檢測信號輸入到信號通道單元(1)，由信號通道單元(1)進(jìn)行放大和濾波；其特征在于模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(2)對信號通道單元(1)輸出的模擬信號進(jìn)行采樣后輸出量化信號；處理器(3)產(chǎn)生與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(2)輸出的量化信號同頻同相的參考信號，并且對該量化信號與參考信號進(jìn)行相干解調(diào)，最后進(jìn)行低通濾波得到測量結(jié)果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微弱信號檢測裝置，其特征在于所述的處理器(3)應(yīng)用軟件包括參考信號產(chǎn)生模塊(31)，用于產(chǎn)生與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(2)輸出的量化信號同頻同相的參考信號；相干解調(diào)模塊(32)，用于對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(2)輸出的量化信號與參考信號進(jìn)行相干解調(diào)； 數(shù)字濾波輸出模塊(33)，用于對相干解調(diào)模塊(32)輸出的信號進(jìn)行低通濾波。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微弱信號檢測裝置，其特征在于所述的參考信號產(chǎn)生模塊(31) 采用數(shù)字鎖相環(huán)；數(shù)字鎖相環(huán)包括數(shù)控振蕩器(311)，第一乘法器(312)，第二乘法器(313)， 第三乘法器(314)，第一環(huán)路濾波器(315)，第二環(huán)路濾波器(316);數(shù)控振蕩器(311) 輸出與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(2)輸出的量化信號同頻的正弦信號，該正弦信號分成兩路； 一路正弦信 號與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(2)輸出的量化信號經(jīng)第一乘法器(312)相乘，相乘后的信號由第一環(huán)路 濾波器(315)濾波形成第一路低頻信號；數(shù)控振蕩器(311)輸出的另一路正弦信號移相Ji /2后與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號經(jīng)第二乘法器(313)相乘，相乘后的信號由第二環(huán)路 濾波器(316)濾波形成第二路低頻信號；第一路低頻信號和第二路低頻信號相乘后反饋到 數(shù)控振蕩器(311)，由數(shù)控振蕩器(311)輸出與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(2)輸出的量化信號同頻同相 的參考信號。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微弱信號檢測裝置，其特征在于所述的數(shù)字鎖相環(huán)還包括低 通濾波器(317);第一路低頻信號和第二路低頻信號相乘后經(jīng)過低通濾波器(317)進(jìn)一步 濾波后反饋到數(shù)控振蕩器(311)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微弱信號檢測裝置，其特征在于所述的信號通道單元(l)包括 放大電路(ll)，增益控制電路(12)，抗混疊濾波器(13);經(jīng)過調(diào)制的待測信號經(jīng)過放大電路(ll) 進(jìn)行放大后送入增益控制電路(12)，由增益控制電路(12)對信號進(jìn)行增益放大；增益控制電 路(12)輸出的信號送入抗混疊濾波器(13)，由抗混疊濾波器(13)濾除高頻噪聲以及完成AD模 數(shù)轉(zhuǎn)換器的阻抗匹配后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(2)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微弱信號檢測裝置，其特征在于所述的放大電路(ll)由前置 放大器(111)和二級放大器(112)組成；待測信號經(jīng)過前置放大器(lll)放大后輸入二級放大器 (112)，經(jīng)過二級放大器(112)進(jìn)一步放大后輸入增益控制電路(12)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的微弱信號檢測裝置，其特征在于所述的前置放大器(lll)選用 低噪聲放大器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微弱信號檢測裝置，其特征在于所述的增益控制電路(12)選 用可編程增益控制器。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微弱信號檢測裝置，其特征在于所述的抗混疊濾波器(13)選 用有源低通濾波器，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(2)采用雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微弱信號檢測裝置，該裝置包括信號通道單元，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，處理器；經(jīng)過調(diào)制的待檢測信號輸入到信號通道單元，由信號通道單元進(jìn)行放大和濾波；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對信號通道單元輸出的模擬信號進(jìn)行采樣后輸出量化信號；處理器產(chǎn)生與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號同頻同相的參考信號，并且對該量化信號與參考信號進(jìn)行相干解調(diào)，最后進(jìn)行低通濾波得到測量結(jié)果。本發(fā)明由于采用處理器來產(chǎn)生與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出的量化信號同頻同相的參考信號，并且在處理器中對該量化信號與參考信號進(jìn)行相干解調(diào)，最后進(jìn)行低通濾波得到測量結(jié)果，不需要產(chǎn)生特定參考信號、進(jìn)行相干解調(diào)及低通濾波的裝置，因而硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
文檔編號G01D5/243GK101285692SQ200810050788
公開日2008年10月15日 申請日期2008年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月4日
發(fā)明者新 葉, 弓成虎, 偉 方, 楊東軍, 王玉鵬 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所