CN106055802B - 四阶单稳态随机共振电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四阶单稳态随机共振电路，涉及信号处理装置技术领域。所述共振电路包括主电路和反馈电路，所述主电路包括加法器和积分器，所述反馈电路包括放大器模块和乘法器模块，所述加法器的一个输入端输入需要处理的电压信号，所述加法器的输出端与所述积分器的输入端连接，所述积分器的输出端分为两路，其中一路为所述共振电路的信号输出端，另一路为反馈信号输出端，所述反馈信号输出端与放大器模块的输入端连接，所述放大器模块的输出端经乘法器模块与所述加法器的反馈信号输入端连接。所述共振电路在保证系统输出特性的同时，电路结构变得简单，且通过调整电路的结构，有助于降低系统参数的数量级。

Description

四阶单稳态随机共振电路
技术领域
本发明涉及信号处理装置技术领域，尤其涉及一种四阶单稳态随机共振电路。
背景技术
随机共振理论是近30年发展起来的一种新的信号处理方法，其利用噪声而非抑制噪声的特性，为微弱信号的特征提取提供了新的思路。双稳态随机共振模型是随机共振理论的经典模型，被广泛应用于生物、化学、机械等领域。在实际应用中，双稳态随机共振电路的两个系统参数常常会出现难以确定参数的调节方向，以快速达到共振状态，且最终参数的数量级会差别很大的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种四阶单稳态随机共振电路，所述共振电路在保证系统输出特性的同时，电路结构变得简单，且通过调整电路的结构，有助于降低系统参数的数量级。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种四阶单稳态随机共振电路，其特征在于：包括主电路和反馈电路，所述主电路包括加法器和积分器，所述反馈电路包括放大器模块和乘法器模块，所述加法器的一个输入端输入需要处理的电压信号，所述加法器的输出端与所述积分器的输入端连接，所述积分器的输出端分为两路，其中一路为所述共振电路的信号输出端，另一路为反馈信号输出端，所述反馈信号输出端与放大器模块的输入端连接，所述放大器模块的输出端经乘法器模块与所述加法器的反馈信号输入端连接。
进一步的技术方案在于：所述加法器包括放大器U1、电阻R1-R4，所述电阻R1的一端为电压信号输入端，所述电阻R2的一端为所述加法器的反馈信号输入端，所述电阻R1的另一端分为两路，第一路与放大器U1的反相输入端连接，第二路经电阻R3与放大器U1的输出端连接，电阻R2的另一端与所述放大器U1的反相输入端连接，电阻R4的一端接地，另一端接放大器U1的同相输入端，所述放大器U1的输出端为所述加法器的输出端。
进一步的技术方案在于：所述积分器包括电阻R5-R6、放大器U2以及电容C1，所述电阻R5的一端为所述积分器的输入端，所述电阻R5的另一端分为两路，第一路与放大器U2的反相输入端连接，第二路经电容C1与放大器U2的输出端连接，所述电阻R6的一端接地，另一端接所述放大器U2的同相输入端，所述放大器U2的输出端分为两路，分别为所述共振电路的输出端以及积分器的反馈输出端。
进一步的技术方案在于：所述放大器模块包括电阻R7-R9和放大器U3，所述电阻R9的一端为所述放大器模块的信号输入端，所述电阻R9的另一端分为两路，第一路经电阻R7后接所述放大器U3的输出端，第二路与所述放大器U3的反相输入端连接，所述电阻R8的一端接地，另一端接所述放大器U3的同相输入端，所述放大器U3的输出端为所述放大器模块的输出端，所述放大器U3的输出端分为三路，分别与所述乘法器模块的相应输入端连接。
进一步的技术方案在于：所述乘法器模块包括乘法器A1-A2，所述放大器模块的输出端分为三路，其中的两路分别与乘法器A2的两个输入端连接，放大器模块的第三个输出端与乘法器A1的一个输入端连接，乘法器A2的输出端与所述乘法器A1的另一个输出端连接，所述乘法器A1的输出端为所述乘法器模块的输出端，乘法器模块的输出端与所述加法器的反馈信号输入端连接。
进一步的技术方案在于：所述乘法器A1-A2使用AD633JR型乘法器。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述四阶单稳态随机共振电路在保证系统输出特性的同时，反馈部分因只有一条反馈回路，电路结构变得简单，仅需调节相应的电阻就可实现电路参数的调节，可以完全克服双稳态随机共振电路两个系统参数数量级差别大的问题，此外，反馈回路中放大器在两个乘法器之前，有助于降低系统参数的数量级。
附图说明
图1是仿真信号的时域波形图；
图2是双稳态随机共振系统输出特性曲线图；
图3是双稳随机共振系统在势阱间距较大时的输出特性曲线图；
图4是三维分析图；
图5是四阶单稳态随机共振系统输出特性曲线图；
图6是一种四阶单稳态随机共振系统电路原理框图；
图7是一种四阶单稳态随机共振系统电路模拟框图；
图8是本发明的四阶单稳态随机共振电路的原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
为了克服背景技术指出的缺陷，本发明公开了一种四阶单稳态随机共振电路，这种电路可以在保证随机共振电路效果的基础上，简化电路结构，提高电路的应用性能，具体实施效果分析如下：
在matlab环境下，做仿真信号x＝0.5sin(2π×f×t)+5×randn(t)，特征频率为0.1Hz，采样频率20Hz，采样点数为2000，图1为仿真信号的时域波形。采用经典的双稳态随机共振系统对仿真信号进行处理，通过势函数的形状特征控制系统参数a、b，计算不同参数组合下系统输出信噪比SNR。从图2、3、4、5的分析结果可以看出，四阶单稳态随机共振是双稳态随机共振的极限形式，且这种形式在保留双稳系统良好输出特性的基础上，大大降低了参数选择的冗余度。
四阶单稳态随机共振电路的基本原理：
四阶单稳态随机共振的数学模型为
由于系统在处理实际信号时，容易出现最终参数b的数量级较大的情况，为了进一步提高电路的参数调节效率，所设计四阶单稳态随机共振的数学模型为
其中s(t)为外力，Γ(t)为噪声。将上式两边同时对x进行积分，得到下式
x＝∫[-(bx)3+s(t)+Γ(t)]dt
根据该数学模型可以设计出四阶单稳态随机共振电路的系统框图，如图6所示。
四阶单稳态随机共振电路设计：
由图6四阶单稳态随机共振原理图可以做出相应电路模拟框图，如图7所示，据此可以得出该电路的数学模型：
其中H(t)、W(t)分别表示信号和白噪声，将上式两边同时微分得：
通过调节K1实现对参数b的调节。
本发明的共振电路包括主电路和反馈电路，所述主电路包括加法器和积分器，所述反馈电路包括放大器模块和乘法器模块，所述加法器的一个输入端输入需要处理的电压信号，所述加法器的输出端与所述积分器的输入端连接，所述积分器的输出端分为两路，其中一路为所述共振电路的信号输出端，另一路为反馈信号输出端，所述反馈信号输出端与放大器模块的输入端连接，所述放大器模块的输出端经乘法器模块与所述加法器的反馈信号输入端连接。
具体的，如图8所示，所述加法器包括放大器U1、电阻R1-R4，所述电阻R1的一端为电压信号输入端，所述电阻R2的一端为所述加法器的反馈信号输入端，所述电阻R1的另一端分为两路，第一路与放大器U1的反相输入端连接，第二路经电阻R3与放大器U1的输出端连接，电阻R2的另一端与所述放大器U1的反相输入端连接，电阻R4的一端接地，另一端接放大器U1的同相输入端，所述放大器U1的输出端为所述加法器的输出端。
所述积分器包括电阻R5-R6、放大器U2以及电容C1，所述电阻R5的一端为所述积分器的输入端，所述电阻R5的另一端分为两路，第一路与放大器U2的反相输入端连接，第二路经电容C1与放大器U2的输出端连接，所述电阻R6的一端接地，另一端接所述放大器U2的同相输入端，所述放大器U2的输出端分为两路，分别为所述共振电路的输出端以及积分器的反馈输出端。
所述放大器模块包括电阻R7-R9和放大器U3，所述电阻R9的一端为所述放大器模块的信号输入端，所述电阻R9的另一端分为两路，第一路经电阻R7后接所述放大器U3的输出端，第二路与所述放大器U3的反相输入端连接，所述电阻R8的一端接地，另一端接所述放大器U3的同相输入端，所述放大器U3的输出端为所述放大器模块的输出端，所述放大器U3的输出端分为三路，分别与所述乘法器模块的相应输入端连接。
所述乘法器模块包括乘法器A1-A2，优选的，所述乘法器A1-A2使用AD633JR型乘法器，当然还可以使用其它型号的乘法器。所述放大器模块的输出端分为三路，其中的两路分别与乘法器A2的两个输入端连接，放大器模块的第三个输出端与乘法器A1的一个输入端连接，乘法器A2的输出端与所述乘法器A1的另一个输出端连接，所述乘法器A1的输出端为所述乘法器模块的输出端，乘法器模块的输出端与所述加法器的反馈信号输入端连接。
所述四阶单稳态随机共振电路在保证系统输出特性的同时，反馈部分因只有一条反馈回路，电路结构变得简单，仅需调节相应的电阻就可实现电路参数的调节，可以完全克服双稳态随机共振电路两个系统参数数量级差别大的问题，此外，反馈回路中放大器在两个乘法器之前，有助于降低系统参数的数量级。

Claims (1)

1.一种四阶单稳态随机共振电路，其特征在于：包括主电路和反馈电路，所述主电路包括加法器和积分器，所述反馈电路包括放大器模块和乘法器模块，所述加法器的一个输入端输入需要处理的电压信号，所述加法器的输出端与所述积分器的输入端连接，所述积分器的输出端分为两路，其中一路为所述共振电路的信号输出端，另一路为反馈信号输出端，所述反馈信号输出端与放大器模块的输入端连接，所述放大器模块的输出端经乘法器模块与所述加法器的反馈信号输入端连接；
所设计四阶单稳态随机共振的数学模型为
<mrow> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>b</mi> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn> </msup> <mo>+</mo> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>&amp;Gamma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中s(t)为外力，Γ(t)为噪声；将上式两边同时对x进行积分，得到下式
x＝∫[-(bx)3+s(t)+Γ(t)]dt
据此可以得出所述四阶单稳态随机共振电路的数学模型为：
<mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mo>&amp;Integral;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>m</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn> </msup> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>R</mi> <mn>2</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mi>&amp;Gamma;</mi> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>R</mi> <mn>1</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow>
将上式两边同时微分得：
<mrow> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>m</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn> </msup> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>R</mi> <mn>2</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>a</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mi>&amp;Gamma;</mi> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>R</mi> <mn>1</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，Ka和Km为相应放大器的放大倍数，R′1、R'2以及K1为相应电阻的电阻值，通过调节K1实现对参数b的调节；
所述加法器包括第一放大器、第一电阻R1′和第二电阻R2′，所述放大器模块包括第二放大器和第三电阻K1；所述第一放大器的输入端接收需要处理的电压信号，输出端通过第一电阻R1′与所述积分器的输入端连接；第二电阻R2′一端与所述积分器的输入端连接，另一端与所述乘法器模块的输出端连接；所述第二放大器的输入端与所述反馈信号输出端连接，所述第二放大器的输出端经过所述第三电阻K1与所述乘法器模块的输入端连接；
其中，Ka为第一放大器的放大倍数，Km为第二放大器的放大倍数，R′1为第一电阻R1′的电阻值，R'2为第二电阻R2′的电阻值，K1为第三电阻K1的电阻值。
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