基于數(shù)字相關(guān)的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汪彥君 程小輝 桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

鎖相放大器主要用于檢測(cè)正弦信號(hào)的幅值及相位，是民用和軍事領(lǐng)域中最為常用的微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備。其依據(jù)信號(hào)噪聲的互相關(guān)性，選定一個(gè)與被測(cè)信號(hào)同頻率的參考信號(hào)，根據(jù)噪聲與此參考信號(hào)不具有相關(guān)性，而淹沒于強(qiáng)噪聲中的微弱信號(hào)與參考信號(hào)具有極高相關(guān)性的特點(diǎn)，將混有強(qiáng)噪聲的被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相乘并作平均，所得結(jié)果即可反映被測(cè)信號(hào)的有效值。

相關(guān)解調(diào)器基于互相關(guān)檢測(cè)的原理，是鎖相放大器的主要組成部分，又稱相敏檢波器。其主要工作過程如下：首先對(duì)低頻微弱周期信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，再將其通過選頻放大器，然后與相同頻率的參考信號(hào)作乘法運(yùn)算，對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行低通濾波以濾除高頻諧波分量，剩下的直流分量經(jīng)過放大后所得的輸出信號(hào)電壓能體現(xiàn)出被測(cè)信號(hào)的電壓有效值。經(jīng)過數(shù)字相關(guān)運(yùn)算，本系統(tǒng)極大地抑制了噪聲，實(shí)現(xiàn)了從強(qiáng)噪聲中提取有用微弱信號(hào)的目的。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)用于檢測(cè)已知頻率微弱信號(hào)的幅值，先由軟件生成相位為0°和移相90°后的參考信號(hào)，再將混有強(qiáng)噪聲的微弱信號(hào)分別與上述兩個(gè)參考信號(hào)作數(shù)字相關(guān)運(yùn)算處理，即可得到一個(gè)與被測(cè)信號(hào)幅值成正比的值，再將此值乘以系數(shù)（值由測(cè)試結(jié)果確定）后即可得到被測(cè)信號(hào)的實(shí)際電壓。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

參考信號(hào)Q和I由軟件產(chǎn)生，這樣可避免信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換帶來的噪聲混入及轉(zhuǎn)換誤差，提高了運(yùn)算的精度。

2 電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高精度的數(shù)據(jù)采集及處理，采用DSP作為中央處理器，其具有較豐富的內(nèi)部資源和I/O端口，可進(jìn)行速度快、精度高的運(yùn)算，滿足了數(shù)字相關(guān)算法對(duì)本系統(tǒng)的要求。A/D轉(zhuǎn)換芯片的選取應(yīng)能滿足系統(tǒng)要求的采樣速率及采樣精度，故本系統(tǒng)選用AD公司的AD7655，其1Msps的采樣速率和16位的采樣精度已滿足系統(tǒng)要求，使測(cè)量達(dá)到一定的理論精度。為盡量不引入額外的噪聲，前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路的運(yùn)放選用了OPA27，其具有低噪聲低溫漂的特性，同時(shí)對(duì)信號(hào)調(diào)理部分的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其僅具有信號(hào)放大和阻抗匹配的功能，而其它方面則由程序代為實(shí)現(xiàn)。

下位機(jī)通過RS232與上位機(jī)通訊，將采集到并進(jìn)行數(shù)字相關(guān)運(yùn)算后的結(jié)果傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理并顯示。

3 算法設(shè)計(jì)

數(shù)字相關(guān)算法的步驟如下[3]：

通道1的參考信號(hào)不移相直接相關(guān)，有：

4 實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試

用1KHz正弦波分別與2KHz、3KHz正弦波進(jìn)行疊加，測(cè)量疊加后的信號(hào)，采集速率為80KHz，設(shè)置5個(gè)不同的信號(hào)幅值進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 1KHz正弦波與2KHz正弦波疊加的測(cè)量值

表2 1KHz正弦波與3KHz正弦波疊加的測(cè)量值

5 結(jié)論

實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果存在一定的誤差，原因主要有兩方面：一是試驗(yàn)用參考信號(hào)是由程序生成，而被測(cè)信號(hào)是由信號(hào)發(fā)生器發(fā)生，兩者的頻率無(wú)法做到完全匹配，會(huì)影響測(cè)量精度，可見在數(shù)字相關(guān)算法中，被測(cè)信號(hào)頻率與參考信號(hào)頻率的匹配程度是影響系統(tǒng)檢測(cè)精度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。二是數(shù)字相關(guān)算法的輸入信號(hào)是模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后輸出的數(shù)字信號(hào)，在轉(zhuǎn)換過程中也存在著一定的舍入誤差，這同樣會(huì)影響到系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

[1]朱衛(wèi)華，陳權(quán)，劉國(guó)穩(wěn).數(shù)字鎖相放大器優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真研究. 儀表技術(shù)，2017 (2)：18-21

[2]姚國(guó)生，孫志斌，李培剛，吳杰濤. 基于微弱交流信號(hào)檢測(cè)的鎖相放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2017，30 (1)：134-135

[3]漆淼，郭建強(qiáng).基于互相關(guān)函數(shù)的微弱信號(hào)檢測(cè)儀的研究. 微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32 (9)：14-17