四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路，涉及信號處理裝置技術(shù)領(lǐng)域。所述共振電路包括主電路和反饋電路，所述主電路包括加法器和積分器，所述反饋電路包括放大器模塊和乘法器模塊，所述加法器的一個輸入端輸入需要處理的電壓信號，所述加法器的輸出端與所述積分器的輸入端連接，所述積分器的輸出端分為兩路，其中一路為所述共振電路的信號輸出端，另一路為反饋信號輸出端，所述反饋信號輸出端與放大器模塊的輸入端連接，所述放大器模塊的輸出端經(jīng)乘法器模塊與所述加法器的反饋信號輸入端連接。所述共振電路在保證系統(tǒng)輸出特性的同時，電路結(jié)構(gòu)變得簡單，且通過調(diào)整電路的結(jié)構(gòu)，有助于降低系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)量級。
【專利說明】
四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及信號處理裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨機共振理論是近30年發(fā)展起來的一種新的信號處理方法，其利用噪聲而非抑制 噪聲的特性，為微弱信號的特征提取提供了新的思路。雙穩(wěn)態(tài)隨機共振模型是隨機共振理 論的經(jīng)典模型，被廣泛應(yīng)用于生物、化學、機械等領(lǐng)域。在實際應(yīng)用中，雙穩(wěn)態(tài)隨機共振電路 的兩個系統(tǒng)參數(shù)常常會出現(xiàn)難以確定參數(shù)的調(diào)節(jié)方向，以快速達到共振狀態(tài)，且最終參數(shù) 的數(shù)量級會差別很大的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路，所述共振電路 在保證系統(tǒng)輸出特性的同時，電路結(jié)構(gòu)變得簡單，且通過調(diào)整電路的結(jié)構(gòu)，有助于降低系統(tǒng) 參數(shù)的數(shù)量級。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電 路，其特征在于:包括主電路和反饋電路，所述主電路包括加法器和積分器，所述反饋電路 包括放大器模塊和乘法器模塊，所述加法器的一個輸入端輸入需要處理的電壓信號，所述 加法器的輸出端與所述積分器的輸入端連接，所述積分器的輸出端分為兩路，其中一路為 所述共振電路的信號輸出端，另一路為反饋信號輸出端，所述反饋信號輸出端與放大器模 塊的輸入端連接，所述放大器模塊的輸出端經(jīng)乘法器模塊與所述加法器的反饋信號輸入端 連接。
[0005] 進一步的技術(shù)方案在于:所述加法器包括放大器U1、電阻R1-R4,所述電阻Rl的一 端為電壓信號輸入端，所述電阻R2的一端為所述加法器的反饋信號輸入端，所述電阻Rl的 另一端分為兩路，第一路與放大器Ul的反相輸入端連接，第二路經(jīng)電阻R3與放大器Ul的輸 出端連接，電阻R2的另一端與所述放大器Ul的反相輸入端連接，電阻R4的一端接地，另一端 接放大器Ul的同相輸入端，所述放大器Ul的輸出端為所述加法器的輸出端。
[0006] 進一步的技術(shù)方案在于:所述積分器包括電阻R5-R6、放大器U2以及電容Cl，所述 電阻R5的一端為所述積分器的輸入端，所述電阻R5的另一端分為兩路，第一路與放大器U2 的反相輸入端連接，第二路經(jīng)電容Cl與放大器U2的輸出端連接，所述電阻R6的一端接地，另 一端接所述放大器U2的同相輸入端，所述放大器U2的輸出端分為兩路，分別為所述共振電 路的輸出端以及積分器的反饋輸出端。
[0007] 進一步的技術(shù)方案在于:所述放大器模塊包括電阻R7-R9和放大器U3,所述電阻R9 的一端為所述放大器模塊的信號輸入端，所述電阻R9的另一端分為兩路，第一路經(jīng)電阻R7 后接所述放大器U3的輸出端，第二路與所述放大器U3的反相輸入端連接，所述電阻R8的一 端接地，另一端接所述放大器U3的同相輸入端，所述放大器U3的輸出端為所述放大器模塊 的輸出端，所述放大器U3的輸出端分為三路，分別與所述乘法器模塊的相應(yīng)輸入端連接。
[0008] 進一步的技術(shù)方案在于:所述乘法器模塊包括乘法器A1-A2,所述放大器模塊的輸 出端分為三路，其中的兩路分別與乘法器A2的兩個輸入端連接，放大器模塊的第三個輸出 端與乘法器Al的一個輸入端連接，乘法器A2的輸出端與所述乘法器Al的另一個輸出端連 接，所述乘法器Al的輸出端為所述乘法器模塊的輸出端，乘法器模塊的輸出端與所述加法 器的反饋信號輸入端連接。
[0009] 進一步的技術(shù)方案在于:所述乘法器A1-A2使用AD633JR型乘法器。
[0010] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:所述四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路在保證 系統(tǒng)輸出特性的同時，反饋部分因只有一條反饋回路，電路結(jié)構(gòu)變得簡單，僅需調(diào)節(jié)相應(yīng)的 電阻就可實現(xiàn)電路參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以完全克服雙穩(wěn)態(tài)隨機共振電路兩個系統(tǒng)參數(shù)數(shù)量級差 別大的問題，此外，反饋回路中放大器在兩個乘法器之前，有助于降低系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)量級。
【附圖說明】
[0011]圖1是仿真信號的時域波形圖；
[0012] 圖2是雙穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)輸出特性曲線圖；
[0013] 圖3是雙穩(wěn)隨機共振系統(tǒng)在勢阱間距較大時的輸出特性曲線圖；
[0014] 圖4是三維分析圖；
[0015] 圖5是四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)輸出特性曲線圖；
[0016] 圖6是一種四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)電路原理框圖；
[0017] 圖7是一種四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)電路模擬框圖；
[0018] 圖8是本發(fā)明的四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路的原理圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0020] 在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以 采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的 情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0021] 為了克服【背景技術(shù)】指出的缺陷，本發(fā)明公開了一種四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路，這 種電路可以在保證隨機共振電路效果的基礎(chǔ)上，簡化電路結(jié)構(gòu)，提高電路的應(yīng)用性能，具體 實施效果分析如下：
[0022] 在matlab環(huán)境下，做仿真信號x = 0.5sin(2jrXfXt)+5 Xrandn(t)，特征頻率為 0.1 Hz，采樣頻率20Hz，采樣點數(shù)為2000，圖1為仿真信號的時域波形。采用經(jīng)典的雙穩(wěn)態(tài)隨 機共振系統(tǒng)對仿真信號進行處理，通過勢函數(shù)的形狀特征控制系統(tǒng)參數(shù)a、b，計算不同參數(shù) 組合下系統(tǒng)輸出信噪比SNR。從圖2、3、4、5的分析結(jié)果可以看出，四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振是雙 穩(wěn)態(tài)隨機共振的極限形式，且這種形式在保留雙穩(wěn)系統(tǒng)良好輸出特性的基礎(chǔ)上，大大降低 了參數(shù)選擇的冗余度。
[0023]四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路的基本原理：
[0024] 四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振的數(shù)學模型為
[0025] 由于系統(tǒng)在處理實際信號時，容易出現(xiàn)最終參數(shù)b的數(shù)量級較大的情況，為了進一 步提高電路的參數(shù)調(diào)節(jié)效率，所設(shè)計四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振的數(shù)學模型為
[0026] = -(Λλ·). 4'v(，H_「(，）
[0027] 其中s(t)為外力，Γ (t)為噪聲。將上式兩邊同時對x進行積分，得到下式
[0028] x = /[-(bx)3+s(t)+Γ (t)]dt
[0029] 根據(jù)該數(shù)學模型可以設(shè)計出四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路的系統(tǒng)框圖，如圖6所示。
[0030] 四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路設(shè)計：
[0031] 由圖6四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振原理圖可以做出相應(yīng)電路模擬框圖，如圖7所示，據(jù)此 可以得出該電路的數(shù)學模型：
[0032]
[0033]其中H(t)、W(t)分別表示信號和白噪聲，將上式兩邊同時微分得：
[0034
[0035] 通過調(diào)節(jié)心實現(xiàn)對參數(shù)b的調(diào)節(jié)。
[0036] 本發(fā)明的共振電路包括主電路和反饋電路，所述主電路包括加法器和積分器，所 述反饋電路包括放大器模塊和乘法器模塊，所述加法器的一個輸入端輸入需要處理的電壓 信號，所述加法器的輸出端與所述積分器的輸入端連接，所述積分器的輸出端分為兩路，其 中一路為所述共振電路的信號輸出端，另一路為反饋信號輸出端，所述反饋信號輸出端與 放大器模塊的輸入端連接，所述放大器模塊的輸出端經(jīng)乘法器模塊與所述加法器的反饋信 號輸入端連接。
[0037] 具體的，如圖8所示，所述加法器包括放大器U1、電阻R1-R4,所述電阻Rl的一端為 電壓信號輸入端，所述電阻R2的一端為所述加法器的反饋信號輸入端，所述電阻Rl的另一 端分為兩路，第一路與放大器Ul的反相輸入端連接，第二路經(jīng)電阻R3與放大器Ul的輸出端 連接，電阻R2的另一端與所述放大器Ul的反相輸入端連接，電阻R4的一端接地，另一端接放 大器Ul的同相輸入端，所述放大器Ul的輸出端為所述加法器的輸出端。
[0038] 所述積分器包括電阻R5-R6、放大器U2以及電容Cl，所述電阻R5的一端為所述積分 器的輸入端，所述電阻R5的另一端分為兩路，第一路與放大器U2的反相輸入端連接，第二路 經(jīng)電容(^與放大器U2的輸出端連接，所述電阻R6的一端接地，另一端接所述放大器U2的同 相輸入端，所述放大器U2的輸出端分為兩路，分別為所述共振電路的輸出端以及積分器的 反饋輸出端。
[0039] 所述放大器模塊包括電阻R7-R9和放大器U3,所述電阻R9的一端為所述放大器模 塊的信號輸入端，所述電阻R9的另一端分為兩路，第一路經(jīng)電阻R7后接所述放大器U3的輸 出端，第二路與所述放大器U3的反相輸入端連接，所述電阻R8的一端接地，另一端接所述放 大器U3的同相輸入端，所述放大器U3的輸出端為所述放大器模塊的輸出端，所述放大器U3 的輸出端分為三路，分別與所述乘法器模塊的相應(yīng)輸入端連接。
[0040]所述乘法器模塊包括乘法器A1-A2，優(yōu)選的，所述乘法器A1-A2使用AD633JR型乘法 器，當然還可以使用其它型號的乘法器。所述放大器模塊的輸出端分為三路，其中的兩路分 別與乘法器A2的兩個輸入端連接，放大器模塊的第三個輸出端與乘法器Al的一個輸入端連 接，乘法器A2的輸出端與所述乘法器Al的另一個輸出端連接，所述乘法器Al的輸出端為所 述乘法器模塊的輸出端，乘法器模塊的輸出端與所述加法器的反饋信號輸入端連接。
[0041]所述四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路在保證系統(tǒng)輸出特性的同時，反饋部分因只有一條 反饋回路，電路結(jié)構(gòu)變得簡單，僅需調(diào)節(jié)相應(yīng)的電阻就可實現(xiàn)電路參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以完全克 服雙穩(wěn)態(tài)隨機共振電路兩個系統(tǒng)參數(shù)數(shù)量級差別大的問題，此外，反饋回路中放大器在兩 個乘法器之前，有助于降低系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)量級。
【主權(quán)項】
1. 一種四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路，其特征在于:包括主電路和反饋電路，所述主電路包 括加法器和積分器，所述反饋電路包括放大器模塊和乘法器模塊，所述加法器的一個輸入 端輸入需要處理的電壓信號，所述加法器的輸出端與所述積分器的輸入端連接，所述積分 器的輸出端分為兩路，其中一路為所述共振電路的信號輸出端，另一路為反饋信號輸出端， 所述反饋信號輸出端與放大器模塊的輸入端連接，所述放大器模塊的輸出端經(jīng)乘法器模塊 與所述加法器的反饋信號輸入端連接。2. 如權(quán)利要求1所述的四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路，其特征在于:所述加法器包括放大器 U1、電阻R1-R4,所述電阻R1的一端為電壓信號輸入端，所述電阻R2的一端為所述加法器的 反饋信號輸入端，所述電阻R1的另一端分為兩路，第一路與放大器U1的反相輸入端連接，第 二路經(jīng)電阻R3與放大器U1的輸出端連接，電阻R2的另一端與所述放大器U1的反相輸入端連 接，電阻R4的一端接地，另一端接放大器U1的同相輸入端，所述放大器U1的輸出端為所述加 法器的輸出端。3. 如權(quán)利要求1所述的四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路，其特征在于：所述積分器包括電阻 R5-R6、放大器U2以及電容C1，所述電阻R5的一端為所述積分器的輸入端，所述電阻R5的另 一端分為兩路，第一路與放大器U2的反相輸入端連接，第二路經(jīng)電容C1與放大器U2的輸出 端連接，所述電阻R6的一端接地，另一端接所述放大器U2的同相輸入端，所述放大器U2的輸 出端分為兩路，分別為所述共振電路的輸出端以及積分器的反饋輸出端。4. 如權(quán)利要求1所述的四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路，其特征在于:所述放大器模塊包括電 阻R7-R9和放大器U3,所述電阻R9的一端為所述放大器模塊的信號輸入端，所述電阻R9的另 一端分為兩路，第一路經(jīng)電阻R7后接所述放大器U3的輸出端，第二路與所述放大器U3的反 相輸入端連接，所述電阻R8的一端接地，另一端接所述放大器U3的同相輸入端，所述放大器 U3的輸出端為所述放大器模塊的輸出端，所述放大器U3的輸出端分為三路，分別與所述乘 法器模塊的相應(yīng)輸入端連接。5. 如權(quán)利要求1所述的四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路，其特征在于:所述乘法器模塊包括乘 法器A1-A2,所述放大器模塊的輸出端分為三路，其中的兩路分別與乘法器A2的兩個輸入端 連接，放大器模塊的第三個輸出端與乘法器A1的一個輸入端連接，乘法器A2的輸出端與所 述乘法器A1的另一個輸出端連接，所述乘法器A1的輸出端為所述乘法器模塊的輸出端，乘 法器模塊的輸出端與所述加法器的反饋信號輸入端連接。6. 如權(quán)利要求5所述的四階單穩(wěn)態(tài)隨機共振電路，其特征在于:所述乘法器A1-A2使用 AD633JR型乘法器。
【文檔編號】G06F17/50GK106055802SQ201610392024
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】郝如江, 梁建華, 楊紅娜, 李輝
【申請人】石家莊鐵道大學