專利名稱：加權門積分組微弱信號相關檢測電路和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明電路涉及微弱信號相關檢測電路和應用，即相關檢測器，可以用來檢測相關信號、鑒相、矢量電壓測量、同步信號提取等方面都可以有很好的應用。
背景技術：
相關器、同步積分和門積分等電路在微弱信號檢測的應用與研究已經(jīng)比較成熟。近些年來信號相關檢測技術研究主要集中在數(shù)字信號處理領域，但是對于淹沒在噪聲中的微弱信號而言有時不能適合。為了適應較大噪聲幅度，信號經(jīng)過模數(shù)轉換后可能會犧牲了太多的有效位，而轉換精度較高的A/D一般采樣速率不高，也會帶來精度問題。微弱信號模擬相關檢測技術發(fā)展到今天已經(jīng)有比較成熟的產品，但是實際使用中發(fā)現(xiàn)對于某些場合使用現(xiàn)有產品并不一定能取得最佳效果，而通過改進能經(jīng)一步提高系統(tǒng)性能，由此設計了一種加權門積分組相關檢測電路。
信號檢測中先驗性問題從本質上說，我們之所以能從噪聲中提取所需的信號是因為信號對于我們來說存在有先驗性，也就是說我們事先就知道了信號的某些特征。這些特征可以是頻率范圍，可以是相位參數(shù)，或者是幅度特征等等。相關檢測與其他檢測方法一樣也是基于對信號的先驗性，相關器、同步積分、門積分等電路都是需要先獲取被測信號的同步脈沖，同步脈沖就包含對被測信號的頻率和相位特征信息認識。如同我們從人群中認出我們的親友一樣，事先獲得的對他的認識越多越有利于我們的判斷。這也是目前眾多信號處理、模式識別等領域研究的熱點。
基本門積分電路基本門積分電路如圖1所示，被測信號Vs與噪聲通過場效應管開關和電阻R對電容C充電積分，如果控制開關處于常閉狀態(tài)(假設開關為理想狀態(tài))該電路就是一個一階阻容低通濾波器。實際電路開關受控于輸入信號的相干矩形波，相干信號的矩形波與被測信號同頻同相，脈寬T，周期T。該信號被定義為門脈沖，設其為脈沖幅度為單位信號，由傅立葉展開可以表述為下面表達式f0=ϵ+2πΣn=1∞1nsinnπϵcosnωRt]]>
其中ε＝τ/T，為相對門寬，ωR為門脈沖的角頻率。如果場效應管開關為理想狀態(tài)，即導通時電阻為零，開路時為無窮大，那么其與電阻R串連后等效電阻可以表示為Re＝R/f0。這樣，基本門積分電路就可以看作為由等效電阻Re和電容C組成的阻容濾波器。由傅立葉變換可以知道當門脈沖寬度τ變窄，其諧波分量的相對幅度增加并接近等幅，這時可恢復信號基波和各次諧波。但帶來的問題是等效時間常數(shù)增加，信號輸出幅度減小。因此，門積分更多地被用來作信號恢復，它是取樣積分器(BOXCAR)和多點信號平均器的核心。當然，如果相干信號為單位方波，即ε＝0.5時，基本門積分電路也就成為相關檢測中的相關器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種加權門積分組微弱信號相關檢測電路，對運算放大器連接的門積分電路進行改進，通過改進能經(jīng)一步提高系統(tǒng)性能，消除諧波干擾，降低噪聲。提高了測量精度。
本發(fā)明設計的一種加權門積分組相關檢測電路包括運算放大器的門積分電路，且在門積分電路積分輸入端與信號之間設有二個以上的并聯(lián)的權值電阻(R1，2R1，4R1，8R1)，對充電電流進行線性疊加運算，每只權值電阻設有開關管控制其通斷，多個權值電阻可以組合輸出各臺階權值，稱為合成權值。為了便于加權和進行參數(shù)分離計算，可以采用運放接法(如圖2所示)。
本發(fā)明的特點是本發(fā)明的設計是基于這樣一種假設如果在檢測前我們不僅了解信號的頻率相位特征而且知道信號的波形特征，那么就可以利用這個認識獲取更佳的檢測手段。本發(fā)明的優(yōu)點概括起來就是消除了諧波干擾，降低了噪聲。提高了測量精度，雖然速度略有降低。在具體儀器上包括法拉第效應測試儀、振動樣品磁強計、電感電容測量儀等。


圖1為基本門積分電路。
圖2為圖1基本門積分電路的變形，門積分電路的運放接法圖3為加權門積分組電路，圖4正弦波十權值逼進波形，，圖5為圖4與方波的諧波分量的比較
具體實施例方式
如圖2所示圖中接法雖然改變，但是電路的基本特性沒有變換。電路中除了積分電阻電容以外增加了運放和加權電阻R1，改變R1的大小可以改變場效應開關導通時充電電流的大小，故此被稱為加權電阻。尤其是提出一種加權門積分組圖3所示的運算放大器可以對積分電路充電電流進行線性疊加運算，設計四個權值電阻R1，2R1，4R1，8R1.由于運放電路實際是線性地加法器連接，所以由四個權值電阻可以組合輸出16值臺階權值，稱為合成權值。
當然如果速度允許可以選取更多權值電阻進行更精確地波形合成，但是通常為了保持較快的響應速度不宜采用過多權值。
權值控制權值的控制端G1，G2，G3，G4，控制方法類似于數(shù)模轉換器，需要根據(jù)信號波形幅度給出控制權值。如果對逼進的輸出采用最小二乘法進行擬合可以近似得到原信號波形。對已知信號進行這種逼進是不難做到的。
圖4是10段，步長為0.1正弦波擬合波形的例子。假設波形函數(shù)為f(t)，反函數(shù)f-1(t)，步長為s，需要計算的量是f-1(ns)與f-1((n+1)s)的跳變點，n為大于零小于最多步長數(shù)的整數(shù)，即ns小于等于波形峰值。假設跳變點為xn則有∫f-1(ns)f-1((n+1)s)f(t)dt=ns(xn-f-1(ns))+(n+1)s(f-1((n+1)s)-xn)]]>當然這樣的計算可以先在計算機中完成，得到信號的控制時間序列?？刂菩蛄械陌l(fā)出可以由單片機，DSP或者組合邏輯電路，重要的是根據(jù)信號特性在逼進精度和開關動作速度之間作作出選擇。
積分部分電路的積分部分和基本同步積分一樣，時間常數(shù)由電阻R和電容C決定，不同的是由于采用了上述的波形相關方法，大大抑止了諧波的干擾，同樣的時間常數(shù)將取得更佳的濾波效果，使得檢測獲得更快的相應速度。
性能分析與比較利用MATLAB作圖4逼進波形與方波的諧波分量的比較，如圖5所示。結果表明僅采用10權值分割的波形對諧波尤其是低次諧波被有效抑制，3次諧波減小到方波的近1/100。我們知道相關器的傳輸函數(shù)可以看作是參考信號的匹配濾波器，改進的參考信號頻率特性明顯抑制了諧波的干擾，同時等效噪聲帶寬變窄對各次諧波點附近的噪聲信號也有同樣的抑制。由于低通濾波器的截至特性限制，頻率接近低次諧波的干擾不容易克服，而該電路可以將它在相關器中直接抑制。對于非正弦周期信號可以看作多正弦信號的線性疊加，因此以上分析仍是適用的。
微弱信號檢測中有鎖定放大器對輸入信號成純正弦響應的例子，有的是對輸入信號采用窄帶濾波抑制信號中的諧波成分，缺點是不能跟蹤信號頻率的變化。模擬乘法器的線性與動態(tài)范圍存在問題，所以不被采用。也有采用時分隔乘法的例子，它的缺點是脈沖載波和乘法器的頻率響應受到限制。
本發(fā)明應用實例在磁測量中常用到的振動樣品磁強計，在磁場中以正弦軌跡振動的樣品在感應線圈中產生正弦感應電壓信號，由于振動桿諧振或橫行振動會產生不穩(wěn)定的諧波測量，采用正弦逼進的組合門積分相關電路可以克服這種諧波的干擾，獲得穩(wěn)定準確的測量結果。
另外一個例子是我們設計的法拉第效應測試儀。偏振光經(jīng)由正弦調制變成偏振角在基點左右作正弦振蕩的偏振光，檢偏輸出信號是個脈動信號，當然也適合本設計電路。
權利要求
1.加權門積分組微弱信號相關檢測電路，其特征是采用運算放大器對門積分電路充電電流進行線性疊加運算，且在門積分電路設計二個以上的權值電阻(R1，2R1，4R1，8R1)，多個權值電阻可以組合輸出各臺階權值，稱為合成權值。
2.由權利要求1所述的加權門積分組微弱信號相關檢測電路，其特征是門積分電路權值的門控制端G1，G2，G3，G4，根據(jù)信號波形幅度給出控制權值。
3.由權利要求1所述的加權門積分組微弱信號相關檢測電路，其特征是門積分電路設計四個權值電阻(R1，2R1，4R1，8R1)，四只電阻分別是基值電阻的1、2、4、8倍。
4.由權利要求1所述的加權門積分組微弱信號相關檢測電路，其特征是門積分電路權值的門控制端控制的控制時間序列由單片機，DSP或者組合邏輯電路給出，根據(jù)信號特性在逼進精度和開關動作速度之間作作出選擇。
5.由權利要求1所述的加權門積分組微弱信號相關檢測電路的應用，其特征是需要對齊信號與參考的相位，而純正弦參考是可以利用兩路正交信號相參測量，兩路輸出送計算機進行合成計算可以消除相位誤差影響。
全文摘要
加權門積分組微弱信號相關檢測電路及應用，采用運算放大器對門積分電路充電電流進行線性疊加運算，且在門積分電路設計二個以上的權值電阻(R1，2R1，4R1，8R1)，多個權值電阻可以組合輸出各臺階權值，稱為合成權值。本發(fā)明的設計是基于這樣一種假設如果在檢測前我們不僅了解信號的頻率相位特征而且知道信號的波形特征，那么就可以利用這個認識獲取更佳的檢測手段。本發(fā)明消除了諧波干擾，降低了噪聲。提高了測量精度，雖然速度略有降低。在具體儀器上包括法拉第效應測試儀、振動樣品磁強計、電感電容測量儀等。
文檔編號H03K5/00GK1493879SQ03152879
公開日2004年5月5日 申請日期2003年8月29日 優(yōu)先權日2003年8月29日
發(fā)明者劉先昆, 潘紅兵, 紀圣謀, 張駿, 徐健健 申請人:南京大學