CN107121586A - 一种双锁相技术20Hz~20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统 - Google Patents

一种双锁相技术20Hz~20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统。包括控制模块、串行通信模块、GPS同步模块、锁相放大模块和存储模块。控制模块兼有控制和人机交互功能。串行通信模块实现数据上传和初始化功能。GPS同步模块接收GPS秒脉冲信号并经过数字锁相环输出与秒脉冲同相的基准信号。锁相放大模块由可选程控滤波器组、参考正交信号发生器、锁相乘法器组、低通滤波器组和采样电路组成，通过锁相乘法器组分别锁相待测信号和正交参考信号、正交参考信号和GPS基准信号实时地获得待测信号的幅值和相位信息。存储模块将采集的信息进行存储。采用双锁相技术不进行后期复杂运算即可获得信号的幅度和相位信息，因此可以实现多频信号的实时检出。

Description

一种双锁相技术20Hz~20kHz多频信号幅度相位实时检测分布 式系统
技术领域：
本发明涉及一种基于双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统，尤其涉及一种远距离多频信号实时检出电路。
背景技术：
随着网络技术的发展，各种仪器设备越来越多地使用分布式网络或局域网。多频信号实时采集系统广泛应用于各种实时性要求较高的领域，尤其在地空电磁探测、飞机、各种物探领域。因此多频信号的实时检出在各个领域均发挥着重要作用。
传统多频信号采集电路一般由程控放大滤波器组、采样电路和控制电路组成。由于信号采集电路一般装载在相距较远的机械上，因此多频信号采集的关键是实现信号的同步采集。传统多频信号采集电路通过架设电缆使系统的各个模块使用相同的时钟信号。其得到的数据经过后期的一系列处理得到待测信号的信息，因此无法实时得到待测信号的信息。因此传统的多频信号采集系统具有其不可更改的局限性。
锁相放大技术兴起以来，因其对微弱信号检测的优势而广泛被应用到微弱信号的检测中。但通常的做法是通过一对正交的参考信号与待测信号进行锁相乘，这种方式能实时地得到待测信号的幅值和待测信号相对于正交参考信号的相位差，但不能实时获得待测信号与GPS基准信号的相位差。
全球定位系统具有精度高、全天候等授时优点，被广泛应用信号的检测领域。然而GPS秒脉冲频率为1Hz，不能作为芯片的时钟，无法直接应用于电磁信号采集电路。因此通常的做法是通过数字锁相环或者用秒脉冲1PPS作为标准信号对OCXO的频率进行校准，再在FPGA中采用均值滤波算法对1PPS信号引入的随机噪声进行压制的方法产生高频的时钟信号。相对而言，数字锁相环的方式准确性更高、稳定性也更好，但这种方法多被用于提供分布式采集系统的同步时钟，不能实现电磁信号的实时检出。
发明内容：
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种能实现对20～20kHz多频信号实时采集的一种双锁相技术的实时检测分布式系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统，包括控制模块、串行通信模块、GPS同步模块、锁相放大模块和存储模块。控制模块兼有控制和人机交互功能。串行通信模块实现数据的上传和初始化各模块的功能。GPS同步模块接收GPS秒脉冲信号并经过数字锁相环输出与秒脉冲同相的基准信号并将信号发送给锁相放大模块。锁相放大模块由可选程控滤波器组、参考正交信号发生器、锁相乘法器组、低通滤波器组和采样电路组成，通过将锁相乘法器组分别锁相待测信号和正交参考信号、正交参考信号和GPS基准信号实现滤波和自适应放大功能并实时的获得待测信号的幅值和相位信息。存储模块将采集的信息进行存储。
一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统，控制模块(1)通过控制锁相乘法器的参考信号和GPS同步模块(7)输出的基准信号控制锁相放大模块(5)，采样芯片在控制模块的控制下对锁相放大模块低通滤波器的输出进行采样，GPS接收装置与GPS同步模块(7)连接，同步模块在控制模块的控制下输出与秒脉冲同步的基准信号，然后与锁相放大模块连接，作为锁相放大模块的参考输入。(3)为存储模块，在控制模块的控制下对锁相放大模块回传的数据进行存储。串行通信模块(2)在控制模块的控制下，实现对锁相放大模块参考信号、GPS同步模块基准信号的初始化。
控制模块(1)是由显示屏、键盘与控制芯片连接构成。
串行通信模块(2)分别与锁相放大模块、GPS同步模块和控制模块连接，在控制模块的控制下，实现对锁相放大模块参考信号、GPS同步模块基准信号的初始化。
存储模块(3)是由SD卡及其外围电路构成并与控制模块(1)连接。
GPS同步模块(7)与GPS接收装置连接，GPS同步模块将秒脉冲进行数字锁相放大后，得到和秒脉冲同步的基准信号，然后与锁相放大模块连接。
锁相放大模块(5)由可选程控滤波器组、参考正交信号发生器、锁相乘法器组、低通滤波器组和采样电路组成，其中两个锁相放大器与参考信号发生器连接，另外两个锁相放大器与GPS同步模块(4)连接。
有益效果：本发明通过数字锁相放大和模拟锁相放大的双锁相技术，实现了对信号更加精确的测量，减小了对采样率的依赖。与传统的多频信号采集系统比较，实现了对幅度和相 位的实时检出，因此具有实时性强、精度高、功耗小等优点。
附图说明：
图1一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统框图
图2是附图1中控制模块1结构框图
图3是附图1中锁相放大模块5结构框图
图4是附图1GPS同步模块7结构框图
图5是一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统工作时的示意图
1控制模块，2串行通信模块，3存储模块，4电源管理，5锁相放大模块，6传感器多频信号产生装置，7GPS同步模块，8GPS接收装置，9飞行器，10一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统，11SD卡存储，12基准源脉冲信号，13传感器匹配网络，14可选程控放大滤波器组，15锁相乘法器，16低通滤波器，17参考正交信号发生器，18信号驱动，194路AD采集，204路基准信号，21锁相倍频4组频率，22MCU。
具体实施方式：
下面结合附图和实例作进一步的详细说明：
一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统，控制模块(1)通过控制锁相乘法器的参考信号和GPS同步模块(7)输出的基准信号控制锁相放大模块(5)，采样芯片在控制模块的控制下对锁相放大模块低通滤波器的输出进行采样，GPS接收装置与GPS同步模块(7)连接，同步模块在控制模块的控制下输出与秒脉冲同步的基准信号，然后与锁相放大模块连接，作为锁相放大模块的参考输入。(3)为存储模块，在控制模块的控制下对锁相放大模块回传的数据进行存储。串行通信模块(2)在控制模块的控制下，实现对锁相放大模块参考信号、GPS同步模块基准信号的初始化。
控制模块(1)是由显示屏、键盘与控制芯片连接构成。
串行通信模块(2)分别与锁相放大模块、GPS同步模块和控制模块连接，在控制模块的控制下，实现对锁相放大模块参考信号、GPS同步模块基准信号的初始化。
存储模块(3)是由SD卡及其外围电路构成并与控制模块(1)连接。
GPS同步模块(7)与GPS接收装置连接，GPS同步模块将秒脉冲进行数字锁相放大后，得到和秒脉冲同步的基准信号，然后与锁相放大模块连接。
锁相放大模块(5)由可选程控滤波器组、参考正交信号发生器、锁相乘法器组、低通滤波器组和采样电路组成，其中两个锁相放大器与参考信号发生器连接，另外两个锁相放大器与GPS同步模块(4)连接。
图2是附图1中控制模块(1)结构框图，控制模块根据待测信号的频率控制锁相放大模块的参考信号的频率，参考信号与待测信号进入锁相放大器组进行锁相乘，得到待测信号的幅值和相对于参考信号的相位，GPS接收装置接收GPS秒脉冲之后，将其传输给GPS同步模块，GPS同步模块经过内部的数字锁相环和一系列处理之后得到与秒脉冲同步与待测信号同频的基准信号。将该基准信号与锁相放大模块的参考信号输入锁相放大器组进行锁相乘，得到参考信号相对于GPS秒脉冲的相位，进而得到待测信号相对于秒脉冲的相位。通过将基准源脉冲信号直接与控制模块相连的方式，实时的得到系统的位置信息。
图3是附图1中锁相放大模块(5)结构框图主要由可选程控滤波器组、参考正交信号发生器、4个高精度平衡调制器/解调器(锁相放大器)、4个低通滤波器和采样电路组成，其中，可选程控滤波器组在控制模块的控制下，自适应的调节待测信号的幅值，使其在锁相放大器组的要求范围内，并滤除一定的噪声。参考正交信号发生器通过DDS信号发生器产生与待测信号同频且正交的两组信号，作为参考信号。当待测信号与参考信号做锁相乘之后经过低通滤波器，就会得到包含幅度信息和相位信息的直流信号。然后通过采样电路采样后传给控制模块。由于是直流信号，因此对采样率要求不高。低通滤波器的带宽就是该采样系统能分辨的最小带宽。
图4是附图1GPS同步模块(7)结构框图，利用GPS秒脉冲的稳定性好的特点，将其作为数字锁相环的参考信号，再通过数字锁相环产生与参考信号同步的高精度的系统时钟，从而保证系统中各个节点的频率和相位都同步。利用GPS的接收装置，接收GPS秒脉冲，然后将GPS秒脉冲送入数字锁相环中，通过控制芯片的数字锁相环进而控制其产生所需的信号。

Claims (5)

1.一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统，其特征在于，控制模块(1)通过控制锁相乘法器的参考正交信号和GPS同步模块(7)输出的基准信号控制锁相放大模块(5)，采样芯片在控制模块的控制下对锁相放大模块低通滤波器的输出进行采样，GPS接收装置与GPS同步模块(7)连接，GPS同步模块在控制模块的控制下输出与秒脉冲同步的基准信号，然后与锁相放大模块连接，作为锁相放大模块的参考输入；(3)为存储模块，在控制模块的控制下对锁相放大模块回传的数据进行存储；串行通信模块(2)在控制模块的控制下，实现对锁相放大模块参考信号、GPS同步模块基准信号的初始化；即通过控制模块控制同步模块中的数字锁相环和锁相放大模块中的模拟锁相环实现对信号的实时采集。
2.按照权利要求1所述的一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统，其特征在于，控制模块(1)是由显示屏、键盘与控制芯片连接，实现人机交互和对其他部分的控制。
3.按照权利要求1所述的一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统，其特征在于，串行通信模块(2)分别与锁相放大模块、GPS同步模块和控制模块连接，在控制模块的控制下，实现对锁相放大模块参考信号、GPS同步模块基准信号的初始化。
4.按照权利要求1所述的一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统，其特征在于，GPS接收装置与GPS同步模块(7)连接，GPS同步模块将秒脉冲进行数字锁相放大后，得到和秒脉冲同步的基准信号。
5.按照权利要求1所述的一种双锁相技术20Hz～20kHz多频信号幅度相位实时检测分布式系统，其特征在于，锁相放大模块(5)由可选程控滤波器组、参考正交信号发生器、锁相乘法器组、低通滤波器组和采样电路组成，其中两个锁相放大器与参考信号发生器连接，另外两个锁相放大器与GPS同步模块(4)连接；分别将经过程控滤波的待测信号与正交参考信号锁相乘、正交参考信号与基准信号锁相乘，再经过低通滤波器得到包含待测信号幅值相位信息的直流信号，并进行采样。
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