CN111339723A - 一种新型二阶多稳态随机共振电路 - Google Patents

一种新型二阶多稳态随机共振电路 Download PDF

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时培明
张文跃
焦永旭
陈开政
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Abstract

本发明公开了一种新型二阶多稳态随机共振电路,属于微弱信号检测技术领域,该电路主电路包括加法器模块、第一积分器模块、第一反相器模块和第二积分器模块;第一加法器模块的输入端与需要处理的电压信号相连接,第一加法器模块的输出端与第一积分器模块的输入端相连接,第一积分器模块的输出端与第一反相器的输入端相连接,第一反相器模块的输出端与第二积分器模块的输入端相连接;第一积分器模块的输出端与第一反馈回路的输入端相连接,第一反馈回路的输出端与加法器模块的输入端相连接;与经典随机共振模型相比,该电路具有更大更广的参数调节范围,所能检测的信号频率范围与强度范围更大,同时能得到更高的信噪比,更适用于检测强噪声背景下的微弱信号。

Description

一种新型二阶多稳态随机共振电路
技术领域
本发明涉及微弱信号检测技术领域,尤其涉及一种新型二阶多稳态随机共振电路。
背景技术
随机共振理论是一种利用噪声能量转移来提高周期信号信噪比的新理论,它以噪声为媒介引起微弱周期信号与非线性协同作用的非线性现象,是当前故障诊断的热点之一。与传统方法相比,它在削弱噪声的同时强化微弱信号特征,提高信噪比,实现信号的提取。
目前,双稳态随机共振系统是随机共振原理的经典模型。然而需要说明的是,双稳态的级联,可以实现噪声的利用,但对于一些信号,双稳随机共振系统并不能满足我们的在强噪声背景下提取微弱信号的要求,而多稳态随机共振则能得到更好的检测效果,实现更大的信噪比输出。
发明内容
根据现有技术存在的问题,本发明公开了一种新型二阶多稳态随机共振电路,其特征在于:包括主电路、第一反馈回路、第二反馈回路、第三反馈回路和第四反馈回路;
所述主电路包括加法器模块、第一积分器模块、第一反相器模块和第二积分器模块;
所述第一加法器模块的输入端与需要处理的电压信号相连接,输入微弱模拟故障信号与白噪声信号,所述第一加法器模块的输出端与所述第一积分器模块的输入端相连接,所述第一积分器模块的输出端与所述第一反相器的输入端相连接,所述第一反相器模块的输出端与所述第二积分器模块的输入端相连接;
所述第一积分器模块的输出端与所述第一反馈回路的输入端相连接,所述第一反馈回路的输出端与所述加法器模块的输入端相连接;
所述第二反馈回路、第三反馈回路和第四反馈回路的输入端与所述第二积分器的输出端相连接,所述第二反馈回路、第三反馈回路和第四反馈回路的输出端与所述加法器的输入端相连接。
进一步地,所述第一反馈回路采用第一反向比例环节。
进一步地,所述第二反馈回路采用第二反向比例环节。
进一步地:所述第三反馈回路包括第二乘法器和第一同向比例环节;
所述第二乘法器的输入端与所述第一乘法器的输出端和所述第二积分器的输出端相连接,所述第二乘法器的输出端与所述第一同向比例环节的输入端相连接,所述第一同向比例环节的输出端与所述第一加法器的输入端相连接。
进一步地:所述第四反馈回路包括第三乘法器、第二同向比例环节;
所述第三乘法器的输入端与所述第一乘法器的输出端和所述第二乘法器的输出端相连接,所述第三乘法器的输出端与所述第二同向比例环节的输入端相连接。
进一步地:所述第一比例环节由两个反相器串联构成。
进一步地:所述第二比例环节由两个反相器串联构成。
进一步地:该共振电路的动力学模型为:
Figure BDA0002392041280000021
其中:b、c、d、γ均为系统参数,s(t)为微弱信号,η(t)为均值为0,方差为1,强度为D的白噪声。
本发明提供的一种新型二阶多稳态随机共振电路,与经典随机共振模型相比,具有更大更广的参数调节范围,所能检测的信号频率范围与强度范围更大,向实用化推进了一步;同时能得到更高的信噪比,更适用于检测强噪声背景下的微弱信号。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种二阶多稳态随机共振原理框图;
图2是一种二阶多稳态随机共振系统模块图;
图3是一种二阶多稳态随机共振电路原理图;
图4是一种二阶多稳态随机共振系统势函数图;
图5(a)是一种二阶多稳态随机共振系统参数b对应输出信噪比特性图;
图5(b)是一种二阶多稳态随机共振系统参数c对应输出信噪比特性图;
图5(c)是一种二阶多稳态随机共振系统参数d对应输出信噪比特性图;
图6是一种二阶多稳态随机共振实验图;
图7(a)是原始含有噪声的故障信号的时域图;
图7(b)是原始含有噪声的故障信号的频域图;
图8(a)是二阶双稳态随机共振系统共振时的时域图;
图8(b)是二阶双稳态随机共振系统共振时的频域图;
图8(c)为二阶多稳态随机共振系统共振时的时域图;
图8(d)为二阶多稳态随机共振系统共振时的频域图;
图9是不同系统随机共振信噪比特性图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚,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的描述:
图1是一种二阶多稳态随机共振原理框图;图2是一种二阶多稳态随机共振系统模块图,一种新型二阶多稳态随机共振电路,包括主电路、第一反馈回路、第二反馈回路、第三反馈回路和第四反馈回路;
所述主电路包括第一加法器模块、第一积分器模块、第一反相器模块和第二积分器模块;
所述第一加法器模块的输入端与需要处理的电压信号相连接,所述第一加法器模块的输出端与所述第一积分器模块的输入端相连接,所述第一积分器模块的输出端与所述第一反相器的输入端相连接,所述第一反相器模块的输出端与所述第二积分器模块的输入端相连接;
所述第一积分器模块的输出端与所述第一反馈回路的输入端相连接,所述第一反馈回路的输出端与所述加法器模块的输入端相连接;
所述第二反馈回路、第三反馈回路和第四反馈回路的输入端与所述第二积分器的输出端相连接,所述第二反馈回路、第三反馈回路和第四反馈回路的输出端与所述第一加法器的输入端相连接。
所述第一反馈回路采用第一反向比例环节,所述第二反馈回路采用第二反向比例环节。
所述第一反向比例环节采用第二加法器模块;所述第二反向比例环节采用第三加法器模块;
所述第三反馈回路包括第一乘法器、第二乘法器和第一同向比例环节;所述第一乘法器的输入端与所述第二积分器的输出端相连接,所述第二乘法器的输入端与所述第一乘法器的输出端和所述第二积分器的输出端相连接,所述第二乘法器的输出端与所述第一同向比例环节的输入端相连接,所述第一同向比例环节的输出端与所述第一加法器的输入端相连接。
图3是一种二阶多稳态随机共振电路原理图;所述第四反馈回路包括第三乘法器、第二同向比例环节;所述第三乘法器的输入端与所述第一乘法器的输出端和所述第二乘法器的输出端相连接,所述第三乘法器的输出端与所述第二同向比例环节的输入端相连接。
所述第一加法器模块包括运算放大器U1、电阻R1—R6,所述电阻R4一端为模拟故障周期信号(电压信号)输入端,所述电阻R4另一端与运算放大器U1反向输入端相连接,所述电阻R1一端接第二反馈回路的反馈信号,所述电阻R1另一端与运算放大器U1反向输入端连接,所述电阻R2、R3、R5的一端分别与第三反馈回路的输出端、第四反馈回路的的输出端和第二反馈回路的输出端相连接,所述电阻R2、R3、R5的另一端均与运算放大器U1反向输入端相连接,所述电阻R6的一端与所述运算放大器U1的输出端相连接,所述电阻R6的另一端与所述运算放大器U1的反向输入端相连接。
所述第一积分器模块包括放大器U2,电阻R8、R9、R10、电容C1,所述电阻R8一端与第一加法器输出端相连接,所述电阻R8另一端与放大器U2的输入端相连接,并联电容C1与电阻R9,一端与放大器U2输入端相连接,另一端与放大器U2输出端相连接,所述电阻R10一端与所述放大器U2的输出端相连接,所述电阻R10另一端与所述第一反向器模块的输入端相连接。
所述第一反向器模块包括放大器U3,电阻R11-R14,所述电阻R11的一端与所述放大器U2的输出端相连接,所述电阻R11的另一端与所述放大器U3的输入端相连接,所述电阻R13的一端与地线连接,另一端与所述放大器U3的输入端相连接,所述电阻R12的一端与所述电阻R11的另一端相连接,所述电阻R12的另一端与所述第二积分器模块的输入端相连接。
所述第二积分模块包括放大器U4,电阻R14-R16,电容C2,所述电阻R14的一端与所述放大器U3的输出端相连接,所述电阻R14的另一端与所述放大器U4的输入端相连接,所述电阻R15与所述电容C2并联,并联后的一端与所述放大器U4的输入端相连接,并联后的另一端与所述放大器U4的输出端相连接,所述电阻R16的一端与地相连接,另一端与所述放大器U4的输入端相连接。
所述第二加法器模块包括放大器U10,电阻R18-R19,所述电阻R18一端与地相连接,另一端与所述放大器U10输入端相连接,所述电阻R17的一端与所述放大器U2的输出端相连接,所述电阻R17的另一端与所述放大器U10的输入端相连接,所述电阻R19的一端与所述电阻R17的一端相连接,所述电阻R19的另一端与所述放大器U5的输出端及电阻R5的一端相连接。
所述第三加法器模块包括放大器U5,电阻R20-R22,所述电阻R21一端与地相连接,所述电阻R21的另一端与放大器U5的输入端相连接,所述电阻R20的一端与所述放大器U4的输出端相连接,另一端与所述放大器U5的输入端相连接,所述电阻R22的一端所述放大器U5的输入端相连接,所述电阻R22的输出端与所述放大器U5的输出端相连接,所述放大器U5的输出端与所述电阻R1的一端相连接。
所述第一同向比例环节包括第二反向器模块和第三反相器模块;所述第二反向模块包括放大器U6、电阻R23-R25,所述电阻R23的一端与所述第二乘法器的输出端相连接,所述电阻R23的另一端与所述放大器U6的输入端相连接,所述电阻R24的一端与所述放大器U6的输入端及所述电阻R23的另一端相连接,所述电阻R24的另一端与所述放大器U6的输出端及所述第三反相器模块相连接,所述电阻R25一端与地相连接,所述电阻R25的另一端与所述放大器U6的输入端相连接;
所述第三反相器模块包括放大器U7、电阻R26-R28,所述电阻R26一端与所述电阻R24的另一端和所述放大器U6的输出端相连接,所述电阻R26的另一端与所述放大器U7的输入端及所述电阻R27的一端相连接,所述电阻R27的另一端与所述电阻R2连接,所述电阻R33与所述电阻R3相连接;所述电阻R28一端与地相连接,所述电阻R28的另一端与所述放大器U7相连接;
所述第二同向比例环节包括第三反相器模块和第四反相器模块;所述第三反相器模块包括放大器U8、电阻R29-R31,所述电阻R29的一端与所述第三乘法器的输出端相连接,所述电阻R29的另一端与所述放大器U8的输入端及所述电阻R30的一端相连接,所述电阻R30的另一端与所述放大器U8的输出端及所述第四反相器模块的一端相连接,所述电阻R31一端与地相连接,所述电阻R31的另一端与所述放大器U8的输入端相连接;
所述第四反相器模块包括放大器U9、电阻R32-R34,所述电阻R32的一端与所述R30的另一端及所述放大器U8的输出端相连接,所述R32的另一端与所述放大器U9的输入端及所述电阻R33的一端相连接,所述电阻R33的另一端与所述放大器U9的输出端及所述电阻R3的一端相连接,所述电阻R34的一端与地相连接,所述电阻R34的另一端与所述放大器U9的输入端相连接。
图4是一种二阶多稳态随机共振系统势函数图;系统的势函数为
Figure BDA0002392041280000061
二阶多稳态随机共振系统动力学方程为
Figure BDA0002392041280000062
其中γ是可调参数,S(t)是微弱周期信号,η(t)是噪声信号,整理后,方程为
Figure BDA0002392041280000063
二阶电路需要进行二次积分。
调节不同参数以使系统发生随机共振现象,图5(a)是一种二阶多稳态随机共振系统参数b对应输出信噪比特性图,图5(b)是一种二阶多稳态随机共振系统参数c对应输出信噪比特性图;图5(c)是一种二阶多稳态随机共振系统参数d对应输出信噪比特性图,不同参数对应的信噪比可以有仿真得出,从中选择最优值;
图6是一种二阶多稳态随机共振实验图,给电路板输入一个模拟故障辛亥与噪声信号,可以由示波器看出发生了随机共振现象,输出故障信号幅值大约为原信号幅值3到4倍,实验现象良好。在Matlab环境下,输入仿真信号x=0.45sin(2π*f*t)+2.5randn(t),特征频率是10Hz,采样点数2024,图7(a)是原始含有噪声的故障信号的时域图;图7(b)是原始含有噪声的故障信号的频域图;图8(a)是二阶双稳态随机共振系统共振时的时域图;图8(b)是二阶双稳态随机共振系统共振时的频域图;图8(c)为二阶多稳态随机共振系统共振时的时域图;图8(d)为二阶多稳态随机共振系统共振时的频域图;对比可以看出故障信号经过多稳系统后信噪比更高;图9是不同系统随机共振信噪比特性图,用不同随机共振系统处理信号,从输出信号信噪比SNR可以看出,二阶多稳态随机共振系统能得到最高的信噪比。
根据动力学方程和原理框图进一步详细设计电路如图7所示,通过调节R22、R27、R33、R19可以调节其对应的参数b、c、d、γ。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型二阶多稳态随机共振电路,其特征在于:包括主电路、第一反馈回路、第二反馈回路、第三反馈回路和第四反馈回路;
所述主电路包括加法器模块、第一积分器模块、第一反相器模块和第二积分器模块;
所述第一加法器模块的输入端与需要处理的电压信号相连接所述第一加法器模块的输出端与所述第一积分器模块的输入端相连接,所述第一积分器模块的输出端与所述第一反相器的输入端相连接,所述第一反相器模块的输出端与所述第二积分器模块的输入端相连接;
所述第一积分器模块的输出端与所述第一反馈回路的输入端相连接,所述第一反馈回路的输出端与所述加法器模块的输入端相连接;
所述第二反馈回路、第三反馈回路和第四反馈回路的输入端与所述第二积分器的输出端相连接,所述第二反馈回路、第三反馈回路和第四反馈回路的输出端与所述加法器的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型二阶多稳态随机共振电路,其特征还在于:所述第一反馈回路采用第一反向比例环节。
3.根据权利要求1所述的一种新型二阶多稳态随机共振电路,其特征还在于:所述第二反馈回路采用第二反向比例环节。
4.根据权利要求1所述的一种新型二阶多稳态随机共振电路,其特征还在于:所述第三反馈回路包括第二乘法器和第一同向比例环节;
所述第二乘法器的输入端与所述第一乘法器的输出端和所述第二积分器的输出端相连接,所述第二乘法器的输出端与所述第一同向比例环节的输入端相连接,所述第一同向比例环节的输出端与所述第一加法器的输入端相连接。
5.根据权利要求1所述的一种新型二阶多稳态随机共振电路,其特征还在于:所述第四反馈回路包括第三乘法器、第二同向比例环节;
所述第三乘法器的输入端与所述第一乘法器的输出端和所述第二乘法器的输出端相连接,所述第三乘法器的输出端与所述第二同向比例环节的输入端相连接。
6.根据权利要求1所述的一种新型二阶多稳态随机共振电路,其特征还在于:所述第一比例环节由两个反相器串联构成。
7.根据权利要求1所述的一种新型二阶多稳态随机共振电路,其特征还在于:所述第二比例环节由两个反相器串联构成。
8.根据权利要求1所述的一种新型二阶多稳态随机共振电路,其特征还在于:该共振电路的动力学模型为:
Figure FDA0002392041270000021
其中:b、c、d、γ均为系统参数,s(t)为微弱信号,η(t)为均值为0,方差为1,强度为D的白噪声。
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