CN102967759A - 基于混沌振子的微弱信号检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于混沌振子的微弱信号检测电路。本发明中电源模块为整个电路提供+15V、-15V以及+5V的直流电压；控制模块主要控制信号发生模块产生控制信号并调整混沌检测电路模块的参数；显示模块显示混沌检测电路模块内控制信号的频率、强度以及系统检测频率扫描范围；输入模块调整系统扫频范围；信号发生模块发生所需要的控制信号；幅值调整模块将控制信号调整为混沌阈值，然后与待测信号合并后送入混沌检测电路模块。本发明只需要输入扫频范围、扫频间隔时间、扫频步长就可通过观察输出相图来识别微弱信号。

Description

基于混沌振子的微弱信号检测电路

技术领域

本发明属于微弱信号检测与处理领域，涉及一种基于混沌振子的微弱信号检测电路。

背景技术

本发明是对微弱信号，即噪声背景中的微弱周期信号进行检测。在噪声中检测微弱信号的传统方法之一是通过滤波器进行滤波，这种方法只能对一定频段的信号进行滤除。例如：低通滤波器使低频段信号通过，滤除高频段信号。高通滤波器使高频段信号通过，滤除低频段信号；而基于混沌振子的微弱信号检测方法，是利用混沌系统对周期信号的敏感性和对噪声有一定免疫作用的特性，在时域上，通过观察系统输出的相轨迹的变化来进行微弱信号的检测。这种方法能在很低的信噪比门限下将噪声背景中的微弱周期信号检测出来。

微弱信号一般是指信号的幅度非常小，而且是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。微弱信号测量在雷达、声纳、振动测量、故障诊断、通信、物理学等领域都有着十分广泛的应用。其检测对象往往是用常规方法和传统方法很能检测的微弱量。随着科学技术发展的需要，微弱信号检测已成为十分重要的领域。 

本发明所采用的混沌振子为著名的Duffing振子，基于Duffing振子检测微弱信号的方法实质上是抑制混沌的过程，即利用混沌系统对参数的摄动及其敏感从而使系统周期解发生本质变化的特点进行微弱周期信号的检测。

本发明所用Duffing振子模型为：

                             （1）

式中，

为阻尼项，

为非线性恢复力，

为驱动力。当式（1）中阻尼项和驱动力都为零时，方程变为：

                                       （2）

对式（2）积分后，可得：

                             （3）

式（3）中等式左边第一项代表系统的动能，第二项代表势能。令

                                    （4）

此为系统的势函数，令

，可以求得系统有三个定常状态：（0,0），（1,-1/4），（-1,-1/4）。分析可知，定常状态（0,0）是鞍点，（1,-1/4）和（-1,-1/4）是中心点。系统吸引子围绕中心点作周期运动，而且振幅变大时，周期也变长。 

当系统加入阻尼项时，定常状态（1,-1/4）和（-1,-1/4）就变成了稳定的焦点吸引子，此时两个中心点就好比位势的两个槽，而鞍点则好比是位势的一个脊，如图1所示。若一个小球在左槽内振动，一定的时间后就会被吸引到左槽底部；若球在右槽，则最终会被吸引到右槽底部。此时，系统中仅有耗散力而没有驱动力，因为阻尼耗散了能量，使得运动衰减。                         

当对系统加上驱动力，如式（1）等式的右边项，并不断改变驱动力幅值F，则当驱动力和阻尼力相当时，若小球初始在左槽中，则在左槽中振荡几次后就会被甩到右槽中，在右槽中振荡后又会被甩到左槽中，且左右槽来回振荡的次数不定，这就演化成了非周期的混沌运动。当驱动力幅值超过阻尼力时，小球就会在左右槽之间按驱动力频率周期性的来回振荡，即从混沌运动转入到大尺度周期运动。

如果从相平面

上来看，在驱动力和阻尼力的共同作用下，随着驱动力振幅的逐渐增大，小球的运动相当于吸引子经历了同宿轨道、倍周期分叉、混沌状态，然后从混沌临界状态进入到大尺度周期状态的过程。本发明正是通过改变正弦信号的幅值使得混沌系统的相轨迹从混沌临界状态转变到大尺度周期状态，从而实现对微弱周期信号的检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Duffing振子的微弱周期信号检测电路，这种电路可以将淹没在噪声背景中的不同频率不同振幅的微弱正弦信号检测出来。本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

基于混沌振子的微弱信号检测电路，包括电源模块、控制模块、显示模块、输入模块、信号发生模块、幅值调整模块和混沌检测电路模块。

电源模块为整个电路提供+15V、-15V以及+5V的直流电压；控制模块主要控制信号发生模块产生控制信号并调整混沌检测电路模块的参数；显示模块显示混沌检测电路模块内控制信号的频率、强度以及系统检测频率扫描范围；输入模块调整系统扫频范围；信号发生模块发生所需要的控制信号；幅值调整模块将控制信号调整为混沌阈值，然后与待测信号合并后送入混沌检测电路模块；混沌检测模块包括三个子模块，分别是乘法运算模块、放大求和模块和积分运算模块，其中乘法运算模块对输入电压V2进行两次乘法运算后输出Vc1信号，放大求和模块对输入的Vc1信号进行放大，并与输入信号V2和待测信号进行求和运算，最后输出信号Vc2，积分运算模块对输入信号Vc2进行第一次积分运算获得电压V1，然后对V1进行第二次积分运算获得电压V2，最后将电信号V2输出给乘法运算模块和放大求和模块。

所述的电源模块采用T-50C开关电源，提供+15V、-15V的直流电压，并通过AD7805芯片获得+5V直流电压。

所述的控制模块包括微处理器芯片ATmega16A，电阻R501、电阻502、电阻503、电阻504、电阻505、电阻506、电阻507、电阻508、电阻509、电阻510、电容C501、电容C502、电容C503、电容C504、电容C505、电容C506、电容C507、电容C508、电容C509、电容C510、电容C511、电容C512、电感L501、电感L502、二极管D501、三极管Q501、、三极管Q502、三极管Q503、三极管Q504、三极管Q505、三极管Q506、三极管Q507、三极管Q508、三极管Q509、继电器K501、继电器K502、继电器K503、继电器K504、继电器K505、继电器K506、继电器K507、继电器K508、蜂鸣器BUZZ；此模块中微处理器芯片起控制作用，微处理器芯片的第1引脚到第5引脚为输入模块的按键接口，读取输入模块的数据；第9引脚为复位电路；第7引脚、第8引脚、第14引脚、第15引脚以及第22引脚到第25引脚控制继电器K501、继电器K502、继电器K503、继电器K504、继电器K505、继电器K506、继电器K507、继电器K508的断开与闭合，由于继电器具有小电压控制大电流的特性，将每个继电器的控制端与微处理器芯片连接，将开关端与电容串联后接入混沌检测电路模块，进而通过微处理器芯片来控制混沌检测电路模块参数的调整，其中微处理器芯片的第7引脚、第8引脚、第14引脚、第15引脚控制积分运算模块中电容C306的改变，微处理器芯片的第22引脚到第25引脚控制中电容C301的改变，使混沌检测电路处于对微弱信号最敏感状态；微处理器芯片的第18引脚到第20引脚实现对幅值调整模块的控制；微处理器芯片的第21引脚控制蜂鸣器；微处理器芯片的第26引脚到第29引脚实现对信号发生模块的控制；微处理器芯片的第33引脚到第40引脚控制显示模块实时的显示控制信号的强度、频率以及扫频范围。

所述的信号发生模块包括信号发生芯片AD9850BRS、晶振HOC-50CN3、可调电阻RW1、可调电阻RW2、电容C401、电容C402、电容C403、电容C404、电容C405、电容C406、电容C407、电容C408、电容C409、电容C410、电容C411、电阻R401、电阻R402、电阻R403、电阻R404、电阻R405、电阻R406、电阻R407、电阻R408、电阻R409、电感L401以及电感L402；信号发生芯片AD950BRS的第7、8、22、25引脚分别与微处理器芯片的第27、28、26、29引脚相连，微处理器芯片通过这4个引脚控制信号发生芯片AD9850BRS产生需要的正弦信号，经过滤波以后送入幅值调整模块。

所述的幅值调整模块包括A/D转换器TLC5615CD、基准源AD780、乘法器AD633JN、第一运算放大器芯片（U604A）、第二运算放大器（U605A）、电容C601、电容C602、电容C603、电容C604、电容C605、电容C606、电容C607、电容C608、电容C609、电阻R601、电阻R602、电阻R603、电阻R604、电阻R605；A/D转换器TLC5615CD的第5引脚到第7引脚分别与控制模块的微处理器芯片的第20、18、19引脚连接，A/D转换器TLC5615CD输出为乘法运算模块提供直流电压信号为X1,信号发生模块AD9850BRS生成正弦信号输入到A/D转换器TLC5615CD的第3引脚为Y1，经过乘法运算模块乘法运算以后输入到第一运算放大器芯片（U604A）以后得到需要的控制信号，然后将控制信号与待测微弱信号通过第二运算放大器（U605A）合并后输入到混沌检测电路模块；其中第一运算放大器芯片（U604A）和第二运算放大器（U605A）集成于第一OP177FP芯片。

输入模块包括按键S801、按键S802、按键S803、按键S804、按键S805、按键S806、电阻R801、电阻R802、电阻R803，按键S801、按键S802、按键S803的一端接入控制模块中微处理器芯片ATmega16A的第4引脚，另一端分别接入微处理器芯片ATmega16A的第1、2、3引脚；按键S804、按键S805、按键S806一端并联后接入ATmega16A的第5引脚，另一端分别接入微处理器芯片ATmega16A的第1、2、3引脚，电源模块的+5V输出端分别与电阻R801、电阻R802、电阻R803的一端连接，电阻R801、电阻R802、电阻R803的另一端分别接入控制模块的微处理器芯片ATmega16A的第1、2、3引脚。

显示模块包括一个显示屏HC2021、电阻R701、电阻R702、电阻R703、电阻704、电容C701、三极管Q701；显示屏HC2021的 1脚接地，同时通过电容C701接入+5V电源，电源模块的+5V输出端与电阻R701连接，电阻R701的另一端与电阻R702一端同时接入显示屏HC2021的3脚，电阻R702的另一端接地；显示屏HC2021的4、5、6脚分别与控制模块中微处理器芯片ATmega16A的38、39、37脚相接；显示屏HC2021的 11、12、13、14脚分别与微处理器芯片ATmega16A的36、35、34、33脚连接；显示屏HC2021的15引脚通过电阻R703接入电源模块的+5V电压；显示屏HC2021的16脚与三极管Q701的集电极连接，三极管Q701的基极通过电阻R704接入微处理器芯片ATmega16A的40脚，三极管Q701的发射极接地。

所述的乘法运算模块包括第一四象限模拟乘法器AD633JN、第二四象限模拟乘法器AD633JN、电容C101、电容C102、电容C103以及电容C104；第一四象限模拟乘法器AD633JN用来对输入电压V1进行乘法运算，从而得到V1的二次方；第二四象限模拟乘法器AD633JN则是对第一四象限模拟乘法器AD633JN芯片7脚输出的电压和电压V1进行乘法运算，从而得到V1的三次方；电源模块的±15V输出端分别与第一四象限模拟乘法器AD633JN的8脚和5脚连接，为其提供工作电压；电源模块的±15V输出端分别与第二四象限模拟乘法器AD633JN的8脚和5脚连接，为其提供工作电压；乘法运算模块输入端电压为V1，其最终输出电压Vc1为V1的三次方。

所述的放大求和模块包括第三运算放大器(U201)、第四运算放大器(U202)、第五运算放大器(U203)、电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电阻R205、电阻R206、电阻R207、电阻R208、电阻R209、电阻R210、电容C201、电容C202、电容C203、电容C204、电容C205以及电容C206；第三运算放大器(U201)对输入电压Vc1进行放大运算，第四运算放大器(U202)对输入电压V1和第三运算放大器(U201)的输出电压进行减法运算，第五运算放大器(U203)对待测微弱信号和第四运算放大器(U202)的输出电压进行加法运算，放大求和模块最终输出的信号为Vc2；电源模块的±15V输出端分别与第三运算放大器(U201)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；电源模块的±15V输出端分别与第四运算放大器 (U202)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；电源模块的±15V输出端分别与第五运算放大器(U203)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；第三运算放大器(U201)、第四运算放大器(U202)、第五运算放大器(U203)集成于第二OP177FP芯片。

所述的积分运算模块包括第六运算放大器（U301）、第七运算放大器（U302）、第八运算放大器（U303）、电阻R301、电阻R302、电阻R303、电阻R304、电阻R305、电容C301、电容C302、电容C303、电容C304、电容C305、电容C306、电容C307以及电容C308；第六运算放大器（U301）对输入电压Vc2以及自身的反馈电压进行积分运算，第七运算放大器（U302）对第六运算放大器（U301）的输出电压进行反向运算，第八运算放大器（U303）对第七运算放大器（U302）输出的电压进行积分运算，积分运算模块最终输出的电压为V1；电源模块的±15V输出端分别与第六运算放大器(U301)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；电源模块的±15V输出端分别与第七运算放大器(U302)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；电源模块的±15V输出端分别与第八运算放大器(U303)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；第六运算放大器（U301）、第七运算放大器（U302）、第八运算放大器（U303）集成于第三OP177FP芯片。

本发明的有益效果：目前混沌领域的研究基本都处于仿真分析的阶段，还没有应用于工程实际中，本发明给出了对淹没在强噪声背景下微弱信号的检测方法，并在电路上实现了自跟踪扫频检测，只需要输入扫频范围、扫频间隔时间、扫频步长就可通过观察输出相图来识别微弱信号。很多大型设备在出现故障时，设备运行时会发出一些周期信号，这些周期故障信号不仅淹没在强噪声背景下，而且一般都是低于1000HZ的中低频周期信号；本发明的电路可以很好的将这些中低频微弱信号从强噪声背景中检测识别出来，以此来判断设备的故障类型以及损坏程度，避免了设备不必要的拆卸检测。

 

附图说明

图1为本发明电路的系统混沌模型图；

图2为本发明混沌检测模块结构示意图；

图3为本发明乘法运算模块示意图；

图4为本发明放大求和模块示意图；

图5为本发明积分运算模块示意图；

图6为本发明混沌检测模块实施例示意图；

图7为本发明控制模块示意图；

图8为本发明输入模块示意图；

图9为本发明显示模块示意图；

图10为本发明信号发生模块示意图；

图11为本发明幅值调整模块示意图

图12为本发明系统检测结构图；

图13为本发明流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，混沌检测模块包括电源模块1、乘法运算模块2、放大求和模块3和积分运算模块4。将电源模块接好，为系统的各个模块提供+15V、-15V以及+5V的工作电压，保证系统可靠工作。

如图3所示为乘法运算模块，乘法运算模块包括第一四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U101）、第二四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U102）、电容C101、电容C102、电容C103以及电容C104。第一四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U101）的1（X1）脚和3脚（Y1）接输入电压V1，即与第八运算放大器OP177FP芯片(U303)的6脚连接，第一四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U101）的2脚（X2）、4(Y2)脚和6(Z)脚均与地线（GND）连接，第一四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U101）的8脚(+Vs)分别与电源模块的+15V输出端、电容C101的一端连接，电容C101的另一端与地线（GND）连接，第一四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U101）的5脚（-Vs）分别与电源模块的-15V输出端、电容C102的一端连接，电容C102的另一端与地线（GND）连接，第一四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U101）的7脚（W）与第二四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U102）的1脚（X1）连接，第二四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U102）的2脚（X2）、4(Y2)脚和6(Z)脚均与地线（GND）连接，第二四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U102）的3脚（Y1）与第一四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U101）的1（X1）脚、3脚（Y1）、第四运算放大器OP177FP芯片(U202)的3脚和第八运算放大器OP177FP芯片(U303)的6脚连接，第二四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U102）的8脚(+Vs)分别与电源模块的+15V输出端、电容C103的一端连接，电容C103的另一端与地线（GND）连接，第二四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U102）的5脚（-Vs）分别与电源模块的-15V输出端、电容C104的一端连接，电容C104的另一端与地线（GND）连接，第二四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U102）的7脚(W)输出电压Vc1，即与电阻R202的一端连接。

如图4所示为放大求和模块，放大求和模块包括第三运算放大器OP177FP芯片(U201)、第四运算放大器OP177FP芯片(U202)、第五运算放大器OP177FP芯片(U203)、电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电阻R205、电阻R206、电阻R207、电阻R208、电阻R209、电阻R210、电容C201、电容C202、电容C203、电容C204、电容C205以及电容C206。第三运算放大器OP177FP芯片(U201)的3脚与电阻R202的一端连接，电阻R202的另一端与第二四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U102）的7脚(W)连接；第三运算放大器OP177FP芯片(U201)的2脚与电阻R201和电阻R203的一端连接，电阻R201的另一端与地线（GND）连接；第三运算放大器OP177FP芯片(U201)的6脚与电阻R203的另一端、电阻R204的一端连接；第三运算放大器OP177FP芯片(U201)的7脚分别与电源模块的+15V输出端、电容C201的一端连接，电容C201的另一端与地线（GND）连接；第一运算放大器OP177FP芯片(U201)的4脚分别与电源模块的-15V输出端、电容C202的一端连接，电容C202的另一端与地线（GND）连接；第四运算放大器OP177FP芯片(U202)的2脚与电阻R204的另一端和电阻R206的一端连接；第四运算放大器OP177FP芯片(U202)的3脚分别与电阻R205的一端、电阻R210的一端连接，电阻R210另一端与第二四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U102）的3脚（Y1）、第一四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U101）的1（X1）脚、3脚（Y1）和第八运算放大器OP177FP芯片(U303)的6脚连接，电阻R205的另一端与地线（GND）连接；第四运算放大器OP177FP芯片(U202)的7脚分别与电源模块的+15V输出端、电容C203的一端连接，电容C203的另一端与地线（GND）连接；第四运算放大器OP177FP芯片(U202)的4脚分别与电源模块的-15V输出端、电容C204的一端连接，电容C204的另一端与地线（GND）连接；第四运算放大器OP177FP芯片(U202)的6脚分别与电阻R206的另一端、电阻R207的一端连接；第四运算放大器OP177FP芯片(U203)的2脚分别与电阻R207的另一端、电阻R208的一端和电阻R209的一端连接，电阻R208的另一端输入待测信号；第五运算放大器OP177FP芯片(U203)的3脚与地线（GND）连接；第五运算放大器OP177FP芯片(U203)的6脚分别与电阻R209的另一端、电阻R301的一端连接；第五运算放大器OP177FP芯片(U203)的7脚分别与电源模块的+15V输出端、电容C205的一端连接，电容C205的另一端与地线（GND）连接；第五运算放大器OP177FP芯片(U203)的4脚分别与电源模块的-15V输出端、电容C206的一端连接，电容C206的另一端与地线（GND）连接。

如图5所示为积分运算模块，积分运算模块包括第六运算放大器OP177FP芯片（U301）、第七运算放大器OP177FP芯片（U302）、第八运算放大器OP177FP芯片（U303）、电阻R301、电阻R302、电阻R303、电阻R304、电阻R305、电容C301、电容C302、电容C303、电容C304、电容C305、电容C306、电容C307以及电容C308。第六运算放大器OP177FP芯片（U301）的2脚分别与电阻R301的另一端、电阻R302的一端和电容C301的一端连接；第六运算放大器OP177FP芯片（U301）的3脚与地线（GND）连接；第六运算放大器OP177FP芯片（U301）的6脚分别与电阻R302的另一端、电容C301的另一端和电阻R303的一端连接；第六运算放大器OP177FP芯片(U301)的7脚分别与电源模块的+15V输出端、电容C302的一端连接，电容C302的另一端与地线（GND）连接；第六运算放大器OP177FP芯片(U301)的4脚分别与电源模块的-15V输出端、电容C303的一端连接，电容C303的另一端与地线（GND）连接；第七运算放大器OP177FP芯片（U302）的2脚与电阻R303的另一端和电阻R304的一端连接；第七运算放大器OP177FP芯片（U302）的3脚与地线（GND）连接；第七运算放大器OP177FP芯片（U302）的6脚分别与电阻R304的另一端和电阻R305的一端连接；第七运算放大器OP177FP芯片(U302)的7脚分别与电源模块的+15V输出端、电容C304的一端连接，电容C304的另一端与地线（GND）连接；第七运算放大器OP177FP芯片(U302)的4脚分别与电源模块的-15V输出端、电容C305的一端连接，电容C305的另一端与地线（GND）连接；第八运算放大器OP177FP芯片（U303）的2脚分别与电阻R305的另一端和电容C306的一端连接；第八运算放大器OP177FP芯片（U303）的3脚与地线（GND）连接；第八运算放大器OP177FP芯片(U303)的7脚分别与电源模块的+15V输出端、电容C307的一端连接，电容C307的另一端与地线（GND）连接；第八运算放大器OP177FP芯片(U303)的4脚分别与电源模块的-15V输出端、电容C308的一端连接，电容C308的另一端与地线（GND）连接；第八运算放大器OP177FP芯片(U303)的6脚分别与电容C306的另一端、第四运算放大器OP177FP芯片(U202)的3脚、第一四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U101）的1（X1）脚、3脚（Y1）和第二四象限模拟乘法器AD633JN芯片（U102）的3脚（Y1）连接。

如图6所示为混沌检测模块，为了检测电路的整体性示意说明，将图3、4、5的乘法运算模块、放大求和模块、积分运算模块相互连接后如图6所示，其中图6中U801为第一四象限模拟乘法器AD633JN(U101),U802为第二四象限模拟乘法器AD633JN(U102)，电容C801、C802、C803、C804分别与图3中C101、C102、C103、C104相同。图6中U803封装有2个OP177运算放大芯片，其中第2、3、1引脚与第三运算放大器U201的第2、3、6引脚相同，图6中R801、R802、R803为图4中R202、R201、R203相同。图6中U803的第5、6、7引脚与第四运算放大器U202的第3、2、6引脚相同，图6中R804、R805、R806、R812分别与图4中R204、R206、R205、R210相同。U805芯片中封装有2个OP177运算放大芯片，其中第5、6、7引脚为图4中第五运算放大芯片（U203）的第3、2、6引脚相同，其中电阻R807、R808、R809与图4中电阻R207、R209、R208相同。图6中U805芯片的第3、2、1引脚与图5中第六运算放大芯片（U301）的第3、2、6引脚相同，其中电阻R810、R811分别于图5中电阻R301、R302相同。图6中U804中封装有第七运算放大芯片（U302）与第八运算放大芯片（U303），其中U804的第5、6、7引脚分别于第七运算放大芯片（U302）的第3、2、6引脚相同，图6中电阻R813、R814分别与图5中R303、R304相同；U804的第3、2、1引脚与第八运算放大芯片（U304）的第3、2、6引脚相同，图6中电阻R815与图5中R305相同。图6中A、B两端与C、D两端连接为可选的积分电容，通过图7控制模块的继电器选择。

如图7为系统的控制模块，包括一个微处理器芯片ATmega16A（U501），电阻R501、电阻502、电阻503、电阻504、电阻505、电阻506、电阻507、电阻508、电阻509、电阻510、电容C501、电容C502、电容C503、电容C504、电容C505、电容C506、电容C507、电容C508、电容C509、电容C510、电容C511、电容C512、电感L501、电感L502、二极管D501、三极管Q501、、三极管Q502、三极管Q503、三极管Q504、三极管Q505、三极管Q506、三极管Q507、三极管Q508、三极管Q509、继电器K501、继电器K502、继电器K503、继电器K504、继电器K505、继电器K506、继电器K507、继电器K508、蜂鸣器BUZZ。ATmega16A(U501)第9脚为复位脚，二极管D501正极与U501的第9引脚连接，另一端接+5V直流电压；电阻R505一端与U501的第9引脚连接，另一端接+5V直流电压；电容C501一端与U501的第9引脚连接，另一端接地；电阻R510一端与U501第21引脚连接，另一端与三极管Q509的基极连接；三极管Q509的集电极与蜂鸣器BUZZ的2脚连接，发射极接地；蜂鸣器BUZZ的第1引脚接+5V直流电压；电感L501一端与+5V直流电压连接，另一端与U501的第10引脚连接；电容C502的正极与+5V直流电压连接，另一端接地；电感L502一端与+5V直流电压连接，另一端与U501的第30引脚连接；电容C503一端接地，一端与U501的第10引脚连接；电容C504一端接地，另一端与U501的第30引脚连接；U501的第11引脚、第31引脚接地；电阻R501、电阻R502、电阻503、电阻504、电阻506、电阻507、电阻508、电阻509的一端分别与U501的第15引脚、第14引脚、第8引脚、第7引脚、第22引脚至第25引脚连接，另一端分别与三极管Q501、、三极管Q502、三极管Q503、三极管Q504、三极管Q505、三极管Q506、三极管Q507、三极管Q508的基极连接；三极管Q501、、三极管Q502、三极管Q503、三极管Q504、三极管Q505、三极管Q506、三极管Q507、三极管Q508的发射极接地，集电极分别与继电器K501、继电器K502、继电器K503、继电器K504、继电器K505、继电器K506、继电器K507、继电器K508的控制端的一端连接；8个继电器的控制端的另一端接+5V直流电压；继电器K501、继电器K502、继电器K503、继电器K504的开关端一端分别与电容C505、电容C506、电容C507、电容C508的一端连接，另一端全部接入混沌检测电路模块的U805（LM358芯片）的第1引脚；电容C505、电容C506、电容C507、电容C508的一端与继电器被控制端连接后，另一端全部接入混沌检测电路模块的U805（LM358芯片）的第2引脚；继电器K505、继电器K506、继电器K507、继电器K508的被控制端一端分别与电容C509、电容C510、电容C511、电容C512的一端连接，另一端全部接入混沌检测电路模块的U804（LM358芯片）的第1引脚；电容C509、电容C510、电容C511、电容C512的一端与继电器被控制端连接后，另一端全部接入混沌检测电路模块的U804（LM358芯片）的第2引脚。利用继电器的特性实现对混沌检测电路模块的积分运算模块的第六运算放大器（U301）、第八运算放大器（U303）的电容C301、电容C306进行调整。

如图8所示为输入模块，包括三个电阻R801、R802、R803，六个开关S801、S802、S803、S804、S805、S806。将三个开关S801、S802、S803 的一端接入控制模块中ATmega16A（U501）的第4引脚，另一端分别接入控制模块U501第1、2、3引脚；将开关S804 、S805 、S806的一端并联后接入ATmega16A（U501）的第5引脚，三个开关另一端分别接入ATmega16A（U501）的第1、2、3引脚，电源模块的+5V输出端分别与三个电阻R801、R802、R803连接，三个电阻另一端分别接入控制模块的ATmega16A（U501）第1、2、3引脚，为第1、2、3引脚的上拉电阻，目的为了提供稳定高电平，防止高电平不稳而引起误读。

如图9为显示模块，包括显示器HC2021(U701),电阻R701、R702、R703、R704；电容C701、三极管Q701；HC2021(U701)显示设备的1脚接地，同时通过电容C701接入+5V电源，电源模块的+5V输出端与电阻R701连接，R701的另一端与R702一端同时接入HC2021显示器的3脚，R702的另一端接地。HC2021显示器的4、5、6脚分别与控制模块的Atmega16A芯片（U501）的38、39、37脚相接。HC2021显示器的 11、12、13、14脚分别与Atmegal6A（U501）的36、35、34、33脚连接；HC2021显示器的15引脚通过电阻R703接入电源模块的+5V电压。HC2021显示器的16脚与三极管Q701的集电极连接，三极管Q701的基极通过电阻R704接入Atmega16A芯片（U501）的40脚，三极管Q701的发射极接地。

如图10所示为控制信号发生模块，包括信号发生器AD9850BRS芯片（U401），HOC-50CN3晶振(U402),九个电阻R401、R402、R403 、R404、R405 、R406、 R407、 R408 、R409，11个电容C401、C402、 C403 、C404、 C405 、C406、 C407 、C408 、C409、 C410、 C411，2个可变电阻器RW1、RW2，2个电感L401、L402。HOC-50CN3晶振(U402)输出端口2脚接入信号发生器AD9850BRS芯片（U401）的9脚提供稳定的125MHZ的晶振，AD9850BRS芯片（U401）2脚接地，3脚、4脚分别与电阻R409、R408连接后，再与+5V直流电压连接。AD850BRS（U401）的第5、10、19、24引脚都接入地，第6、23、11、18引脚接入+5V电源，第7、8、22、25脚分别与Atmegal6A（U501）的27、28、26、29相连接，同时第7、8、22脚分别与电阻R405、R406、R407 一端连接，电阻R405、R406、R407的另一端接入+5V直流电压，AD9850BRS芯片（U401）第15引脚与可调电阻RW2、电容C410、电容C408、电容C409、电感L402的一端连接，可调电阻RW2、电容C410的另一端接地，AD9850BRS芯片（U401）第12引脚与可调电阻RW1连接，可调电阻RW1另一端与R403连接，R403另一端接地，AD9850BRS芯片（U401）第16引脚与R401、R404的一端连接，R401、R404的另一端分别于AD9850BRS芯片（U401）第21引脚、20引脚连接，电阻R402、电容C406、电容405、电感L401的一端与AD9850BRS芯片（U401）第21引脚连接，电阻R402、电容C406另一端接地，电容405与电容C407一端、电容C408一端、电感L401、电感L402另一端连接，电感L402一端与电容C407一端连接，电感L402另一端与幅值调整模块的AD633JN（U603）的第3引脚连接，电容C409一端与幅值调整模块的AD633JN（U603）的第3引脚连接,电容C409另一端接地。

 如图11所示为幅值调整模块包括数模转换器TLC5615CD芯片（U601）、模数转换AD780芯片（U602），模拟乘法器AD633JN芯片（U603），二个运算放大器OP177芯片（U604A、U605A）,九个电容C601、C602、 C603、C604、C605、C606、C607、C608、C609；五个电阻R601、R602、R603、R604、R605。TLC5615CD芯片（U601）的第1引脚与+5V直流电压连接，第2引脚与AD633JN芯片（U603）的第1脚连接；第3引脚与模数转换器AD780芯片（U602）的6脚连接；第4引脚接地；第5、6、7脚分别与控制模块中Atmegal6A（U501）的20、18、19脚连接；基准电源AD780芯片（U602）的第4引脚接地，第8脚悬空，选择2.5V基准电源，第2引脚与+5V直流电压连接，并与电容C603一端连接，电容C603另一端接地，电容C602一端接地，另一端与AD780芯片（U602）的第3引脚连接；AD633JN芯片（U603）第1引脚与TLC5615CD芯片（U601）的第2引脚连接，第2、4引脚接地，第3引脚与信号发生模块的输出端V3连接，第8引脚与电容C605一端连接，并与+15V直流电压连接，电容C605另一端接地，第5引脚与-15V直流电压连接，与C604一端连接，C604另一端接地，第6引脚接地，第7引脚与电阻R602一端连接，电阻R602另一端与运放（U604A）第2引脚连接，U604A第3引脚接地，第4引脚与电容C607一端连接，与-15V直流电压连接，电容C607另一端接地，U604A第7引脚与电容C606一端、+15V直流电压连接，电阻R601一端与U604A第2引脚连接，另一端与U604A第6引脚连接，U604A第6引脚与电阻R603一端连接，电阻R603与U605A第2引脚连接，U605A第3引脚接地，U605A第4引脚与-15V直流电压、电容C609一端连接，电容C609另一端接地，U605A第7引脚与+15V直流电压、电容C608一端连接，电容C608另一端接地，电阻R605一端与U605A第2引脚、电阻R604一端连接，电阻R605另一端与U605A第6引脚连接，电阻R604另一端接入待测微弱信号，U605A第6引脚与图6所示电阻R809一端连接。

本发明的工作过程

本发明所用Duffing振子模型为：

                                (1)

式中，

为阻尼项，

为非线性恢复力，

为驱动力。当式（1）中阻尼项和驱动力都为零时，方程变为：

                                      （2）

对式（2）积分后，可得：

                             （3）

式（3）中等式左边第一项代表系统的动能，第二项代表势能。令

                                    （4）

此为系统的势函数，令

，可以求得系统有三个定常状态：（0,0），（1,-1/4），（-1,-1/4）。分析可知，定常状态（0,0）是鞍点，（1,-1/4）和（-1,-1/4）是中心点。系统吸引子围绕中心点作周期运动，而且振幅变大时，周期也变长。 

当系统加入阻尼项时，定常状态（1,-1/4）和（-1,-1/4）就变成了稳定的焦点吸引子，此时两个中心点就好比位势的两个槽，而鞍点则好比是位势的一个脊，如图1所示。若一个小球在左槽内振动，一定的时间后就会被吸引到左槽底部；若球在右槽，则最终会被吸引到右槽底部。此时，系统中仅有耗散力而没有驱动力，因为阻尼耗散了能量，使得运动衰减。                         

当对系统加上驱动力，如式（1）等式的右边项，并不断改变驱动力幅值F，则当驱动力和阻尼力相当时，若小球初始在左槽中，则在左槽中振荡几次后就会被甩到右槽中，在右槽中振荡后又会被甩到左槽中，且左右槽来回振荡的次数不定，这就演化成了非周期的混沌运动。当驱动力幅值超过阻尼力时，小球就会在左右槽之间按驱动力频率周期性的来回振荡，即从混沌运动转入到大尺度周期运动。

如果从相平面

上来看，在驱动力和阻尼力的共同作用下，随着驱动力振幅的逐渐增大，小球的运动相当于吸引子经历了同宿轨道、倍周期分叉、混沌状态，然后从混沌临界状态进入到大尺度周期状态的过程。本发明正是通过改变正弦信号的幅值使得混沌系统的相轨迹从混沌临界状态转变到大尺度周期状态，从而实现对微弱周期信号的检测。

现将待测正弦信号作为周期驱动力输入系统，为了使系统能检测任意频率的信号，对式（1）所示系统改型为如下方程：

            （5）

式中：

为驱动系统的控制信号，为待测信号，

为高斯白噪声。由Melnikov方法可知，对于不同的控制信号

，其存在混沌的阈值为：

                              （6）

由此可知，不同的频率对应不同的混沌阈值。为了进行微弱信号的检测，必须求得不同频率时混沌阈值所对应的控制信号幅值。如

对应于

、

对应于

、

对应于

等。

本发明电路的检测过程是：系统原理框图如图12所示，系统上电初始化后，通过输入模块设定初始值，包括扫频间隔时间

（间隔时间

需确保检测电路的输出相图稳定）、控制信号扫频范围~

、扫频步长

（根据需要进行粗扫、细扫）；按扫频键后，系统控制信号从频率

开始扫频，经过时间

………后，控制信号频率为

…

……，直到控制信号频率为

，系统停止扫频；扫频期间若没有按暂停键，则待测信号频率不在~之间，需要重新评估待测信号频率范围，重新扫频；若扫频过程中检测模块输出相图能稳定在大周期状态，此时按暂停键，系统停止扫频，显示模块显示控制信号频率为

、强度为；然后按下幅值扫描键，控制模块将控制幅值调整模块将控制信号的强度逐渐减小，等待检测模块输出相图重新回到混沌临界状态，按下停止键，控制信号强度不再减小，此时显示模块显示控制信号强度改变为

。因此待测信号即为

，强度为

。软件流程图为图13所示。

当控制信号的频率不等于微弱正弦信号的频率时，系统相平面始终处于混沌状态；而当控制信号的频率恰好为微弱正弦信号的频率时，系统就进入大尺度周期态。这样，通过不断的扫描频率，就可以检测出待测信号中含有的各种微弱正弦信号的频率。

    以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟悉此领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围之内。

Claims (1)

1. 基于混沌振子的微弱信号检测电路，包括电源模块、控制模块、显示模块、输入模块、信号发生模块、幅值调整模块和混沌检测电路模块，其特征在于：

电源模块为整个电路提供+15V、-15V以及+5V的直流电压；控制模块主要控制信号发生模块产生控制信号并调整混沌检测电路模块的参数；显示模块显示混沌检测电路模块内控制信号的频率、强度以及系统检测频率扫描范围；输入模块调整系统扫频范围；信号发生模块发生所需要的控制信号；幅值调整模块将控制信号调整为混沌阈值，然后与待测信号合并后送入混沌检测电路模块；混沌检测模块包括三个子模块，分别是乘法运算模块、放大求和模块和积分运算模块，其中乘法运算模块对输入电压V2进行两次乘法运算后输出Vc1信号，放大求和模块对输入的Vc1信号进行放大，并与输入信号V2和待测信号进行求和运算，最后输出信号Vc2，积分运算模块对输入信号Vc2进行第一次积分运算获得电压V1，然后对V1进行第二次积分运算获得电压V2，最后将电信号V2输出给乘法运算模块和放大求和模块；

所述的电源模块采用T-50C开关电源，提供+15V、-15V的直流电压，并通过AD7805芯片获得+5V直流电压；

所述的控制模块包括微处理器芯片ATmega16A，电阻R501、电阻502、电阻503、电阻504、电阻505、电阻506、电阻507、电阻508、电阻509、电阻510、电容C501、电容C502、电容C503、电容C504、电容C505、电容C506、电容C507、电容C508、电容C509、电容C510、电容C511、电容C512、电感L501、电感L502、二极管D501、三极管Q501、、三极管Q502、三极管Q503、三极管Q504、三极管Q505、三极管Q506、三极管Q507、三极管Q508、三极管Q509、继电器K501、继电器K502、继电器K503、继电器K504、继电器K505、继电器K506、继电器K507、继电器K508、蜂鸣器BUZZ；此模块中微处理器芯片起控制作用，微处理器芯片的第1引脚到第5引脚为输入模块的按键接口，读取输入模块的数据；第9引脚为复位电路；第7引脚、第8引脚、第14引脚、第15引脚以及第22引脚到第25引脚控制继电器K501、继电器K502、继电器K503、继电器K504、继电器K505、继电器K506、继电器K507、继电器K508的断开与闭合，由于继电器具有小电压控制大电流的特性，将每个继电器的控制端与微处理器芯片连接，将开关端与电容串联后接入混沌检测电路模块，进而通过微处理器芯片来控制混沌检测电路模块参数的调整，其中微处理器芯片的第7引脚、第8引脚、第14引脚、第15引脚控制积分运算模块中电容C306的改变，微处理器芯片的第22引脚到第25引脚控制中电容C301的改变，使混沌检测电路处于对微弱信号最敏感状态；微处理器芯片的第18引脚到第20引脚实现对幅值调整模块的控制；微处理器芯片的第21引脚控制蜂鸣器；微处理器芯片的第26引脚到第29引脚实现对信号发生模块的控制；微处理器芯片的第33引脚到第40引脚控制显示模块实时的显示控制信号的强度、频率以及扫频范围；

所述的信号发生模块包括信号发生芯片AD9850BRS、晶振HOC-50CN3、可调电阻RW1、可调电阻RW2、电容C401、电容C402、电容C403、电容C404、电容C405、电容C406、电容C407、电容C408、电容C409、电容C410、电容C411、电阻R401、电阻R402、电阻R403、电阻R404、电阻R405、电阻R406、电阻R407、电阻R408、电阻R409、电感L401以及电感L402；信号发生芯片AD950BRS的第7、8、22、25引脚分别与微处理器芯片的第27、28、26、29引脚相连，微处理器芯片通过这4个引脚控制信号发生芯片AD9850BRS产生需要的正弦信号，经过滤波以后送入幅值调整模块；

所述的幅值调整模块包括A/D转换器TLC5615CD、基准源AD780、乘法器AD633JN、第一运算放大器芯片（U604A）、第二运算放大器（U605A）、电容C601、电容C602、电容C603、电容C604、电容C605、电容C606、电容C607、电容C608、电容C609、电阻R601、电阻R602、电阻R603、电阻R604、电阻R605；A/D转换器TLC5615CD的第5引脚到第7引脚分别与控制模块的微处理器芯片的第20、18、19引脚连接，A/D转换器TLC5615CD输出为乘法运算模块提供直流电压信号为X1,信号发生模块AD9850BRS生成正弦信号输入到A/D转换器TLC5615CD的第3引脚为Y1，经过乘法运算模块乘法运算以后输入到第一运算放大器芯片（U604A）以后得到需要的控制信号，然后将控制信号与待测微弱信号通过第二运算放大器（U605A）合并后输入到混沌检测电路模块；其中第一运算放大器芯片（U604A）和第二运算放大器（U605A）集成于第一OP177FP芯片；

     输入模块包括按键S801、按键S802、按键S803、按键S804、按键S805、按键S806、电阻R801、电阻R802、电阻R803，按键S801、按键S802、按键S803的一端接入控制模块中微处理器芯片ATmega16A的第4引脚，另一端分别接入微处理器芯片ATmega16A的第1、2、3引脚；按键S804、按键S805、按键S806一端并联后接入ATmega16A的第5引脚，另一端分别接入微处理器芯片ATmega16A的第1、2、3引脚，电源模块的+5V输出端分别与电阻R801、电阻R802、电阻R803的一端连接，电阻R801、电阻R802、电阻R803的另一端分别接入控制模块的微处理器芯片ATmega16A的第1、2、3引脚；

     显示模块包括一个显示屏HC2021、电阻R701、电阻R702、电阻R703、电阻704、电容C701、三极管Q701；显示屏HC2021的 1脚接地，同时通过电容C701接入+5V电源，电源模块的+5V输出端与电阻R701连接，电阻R701的另一端与电阻R702一端同时接入显示屏HC2021的3脚，电阻R702的另一端接地；显示屏HC2021的4、5、6脚分别与控制模块中微处理器芯片ATmega16A的38、39、37脚相接；显示屏HC2021的 11、12、13、14脚分别与微处理器芯片ATmega16A的36、35、34、33脚连接；显示屏HC2021的15引脚通过电阻R703接入电源模块的+5V电压；显示屏HC2021的16脚与三极管Q701的集电极连接，三极管Q701的基极通过电阻R704接入微处理器芯片ATmega16A的40脚，三极管Q701的发射极接地；

所述的乘法运算模块包括第一四象限模拟乘法器AD633JN、第二四象限模拟乘法器AD633JN、电容C101、电容C102、电容C103以及电容C104；第一四象限模拟乘法器AD633JN用来对输入电压V1进行乘法运算，从而得到V1的二次方；第二四象限模拟乘法器AD633JN则是对第一四象限模拟乘法器AD633JN芯片7脚输出的电压和电压V1进行乘法运算，从而得到V1的三次方；电源模块的±15V输出端分别与第一四象限模拟乘法器AD633JN的8脚和5脚连接，为其提供工作电压；电源模块的±15V输出端分别与第二四象限模拟乘法器AD633JN的8脚和5脚连接，为其提供工作电压；乘法运算模块输入端电压为V1，其最终输出电压Vc1为V1的三次方；

所述的放大求和模块包括第三运算放大器(U201)、第四运算放大器(U202)、第五运算放大器(U203)、电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电阻R205、电阻R206、电阻R207、电阻R208、电阻R209、电容C201、电容C202、电容C203、电容C204、电容C205以及电容C206；第三运算放大器(U201)对输入电压Vc1进行放大运算，第四运算放大器(U202)对输入电压V1和第三运算放大器(U201)的输出电压进行减法运算，第五运算放大器(U203)对待测微弱信号和第四运算放大器(U202)的输出电压进行加法运算，放大求和模块最终输出的信号为Vc2；电源模块的±15V输出端分别与第三运算放大器(U201)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；电源模块的±15V输出端分别与第四运算放大器 (U202)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；电源模块的±15V输出端分别与第五运算放大器(U203)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；第三运算放大器(U201)、第四运算放大器(U202)、第五运算放大器(U203)集成于第二OP177FP芯片；

所述的积分运算模块包括第六运算放大器（U301）、第七运算放大器（U302）、第八运算放大器（U303）、电阻R301、电阻R302、电阻R303、电阻R304、电阻R305、电容C301、电容C302、电容C303、电容C304、电容C305、电容C306、电容C307以及电容C308；第六运算放大器（U301）对输入电压Vc2以及自身的反馈电压进行积分运算，第七运算放大器（U302）对第六运算放大器（U301）的输出电压进行反向运算，第八运算放大器（U303）对第七运算放大器（U302）输出的电压进行积分运算，积分运算模块最终输出的电压为V1；电源模块的±15V输出端分别与第六运算放大器(U301)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；电源模块的±15V输出端分别与第七运算放大器(U302)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；电源模块的±15V输出端分别与第八运算放大器(U303)7脚和4脚连接，为其提供工作电压；第六运算放大器（U301）、第七运算放大器（U302）、第八运算放大器（U303）集成于第三OP177FP芯片。

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