CN203203605U - 微弱信号探测装置 - Google Patents

Abstract

一种微弱信号探测装置，包括接收第一类源信号的第一信号接收元件和第二信号接收元件，第一信号接收元件和第二信号接收元件分别连接对应的信号放大电路后连接差分放大电路再连接三阶信号放大电路，在差分放大电路和三阶信号放大电路之间连接滤波选频电路；还包括激励被测物使其产生第一类源激励信号的第一激励源对应的激励源驱动器，三阶信号放大电路的输出端连接两个激励源的激励源驱动器。本装置可以将放大后的探测信号正向激励给激励源，使激励源产生与探测信号同频的正向激励信号，使信号源（被探测物体）提高音量和声像清晰度，即便有噪声也能更容易提取和探测。

Description

微弱信号探测装置

技术领域

本实用新型涉及一种探测装置，尤其是一种微弱信号探测装置。 

背景技术

在许多研究和应用领域中，都涉及到微弱信号的精密测量。然而，由于任何一个系统部必然存在噪声，而所测量的信号本身又相当微弱，因此，如何把淹没于噪声中的有用信号提取出来的问题具有十分重要的意义。在光电探测系统中，噪声来自信号光、背景光、光电探测器及电子电路。通常抑制这些光学噪声和干扰的方法是：合理压缩系统视场，在光学系统结构上抑制背景光，加适当光谱滤波器，空间滤波器等以抑制背景光干扰。合理选择光信号的调制频率，使信号频率远离市电(50Hz)频率和空间高频电磁波频率，偏离l／f噪声为主的区域，以使光电探测系统在工作的波段范围内达到较高的信噪比。此外，在电子学信号处理系统中采用低噪声放大技术。但当信号非常微弱，甚至比噪声小几个数量级或者说信号完全被噪声深深淹没时，再采用上述的办法，就不会有效。因此不易提取和探测到相关信号。 

有鉴于此，特提出本实用新型。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种能克服噪声，使信号更容易提取和探测的微弱信号探测装置。 

为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是： 

一种微弱信号探测装置，包括接收第一类源信号的第一信号接收元件、接收第一类源信号的第二信号接收元件、第一信号放大电路、第二信号放大电路、差分放大电路、三阶信号放大电路和滤波选频电路，所述第一信号接收元件连接所述第一信号放大电路的输入端，所述第二信号接收元件连接所述第二信号放大电路的输入端，所述第一信号放大电路和第二信号放大电路的输出端分别连接所述差分放大电路的两个输入端，所述差分放大电路的输出端连接所述三阶信号放大电路的输入端，在所述差分放大电路和三阶信号放大电路之间连接所述的滤波选频电路；还包括用以激励被测物使其产生第一类源激励信号的第一激励源、用以激励被测物使其产生第一类源激励信号的第二激励源以及驱动第一激励源和第二激励源的第一激励源驱动器和第二激励源驱动器，所述第一激励源驱动器和第二激励源驱动器分别连接所述第一激励源和第二激励源，所述三阶信号放大电路的输出端连接所述第一激励源驱动器和第二激励源驱动器。 

进一步地，还包括接收第二类源信号的第三信号接收元件、接收第二类源信号的第四信号接收元件、用以激励被测物使其产生第二类源激励信号的第三激励源、用以激励被测物使其产生第二类源激励信号的第四激励源，所述第三信号接收元件连接所述第一信号放大电路的输入端，所述第四信号接收元件连接所述第二信号放大电路的输入端，所述第三激励源连接在所述第一激励源驱动器的输出端，所述第四激励源连接在所述第二激励源驱动器的输出端，所述第三激励源和第四激励源串联连接。 

优选的，所述差分放大电路包括差分比较器以及由第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻组成的反馈电路，所述第一信号放大电路的输出端连接所述差分比较器的第一输入端，所述第二信号放大电路的输出端连接所述差分比较器的另第二输入端，所述第一电阻和第二电阻串联，所述第一电阻还连接在 所述第一信号放大电路和所述差分比较器的连接线路上，第三电阻还连接在所述第二信号放大电路和所述差分比较器的连接线路上，所述第二电阻连接在所述差分比较器的第一输入端和所述差分比较器的输出端之间，所述第四电阻连接在所述差分比较器的第二输入端和地之间，所述差分比较器的输出端为所述差分放大电路的输出端。 

优选的，所述滤波选频电路为用于对测得的微弱光电信号进行振荡选频的振荡选频电路或滤波电容。 

优选的，所述振荡选频电路包括一比较器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，所述第四电容和第五电阻并联连接在所述比较器的第一输入端和地之间，所述第三电容和第六电阻串联连接在所述比较器的第一输入端和所述比较器的输出端之间，所述第一电容和第七电阻串联连接在所述差分放大电路的输出端和所述比较器的第二输入端之间，所述第八电阻连接在所述比较器的第二输入端和所述比较器的输出端之间，所述比较器的输出端连接所述三阶信号放大电路的输入端，所述第二电容连接在所述比较器和所述三阶信号放大电路的连接线路上。 

优选的，所述第一激励源驱动器和所述第二激励源驱动器均采用反相器，分别为第一反相器和第二反相器，所述第一反相器的输入端连接所述三阶信号放大电路的输出端，所述第一反相器的的输出端连接所述第一激励源，所述第一激励源和第二激励源串联，所述第二反相器的输出端连接所述第二激励源，所述第二反相器的输入端连接所述第一反相器的输出端。 

优选的，所述第一激励源驱动器和第二激励源驱动器为施密特反相器。 

所述第一类源信号和第二类源信号为光信号或电信号。 

当所述源信号为电信号时，其对应的激励源驱动器为电感线圈；当所述源信号为光信号时，其对应的激励源驱动器优选为光敏二极管或光敏三极管。 

当所述源信号为电信号时，其对应的信号接收元件为金属电极；当所述源信号为光信号时，其对应的信号接收元件为光敏二极管或光敏三极管。 

采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果： 

本装置可以将放大后的探测信号正向激励给激励源，这样给激励源正向反馈激励，使激励源产生与微弱探测信号频率相同的正向激励信号，使信号源（被探测物体）提高音量和声像清晰度，即便有噪声也能更容易提取和探测。 

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。 

附图说明

图1是本实用新型的第一种原理框图； 

图2是本实用新型第二种原理框图； 

图3是本实用新型第一种光电信号探测装置的电路图； 

图4是本实用新型第二种光电信号探测装置的电路图； 

图5是本实用新型第三种光电信号探测装置的电路图； 

图6是本实用新型第四种光电信号探测装置的电路图。 

具体实施方式

如图1所示,本实用新型是一种微弱信号探测装置，包括接收第一类源信号的第一信号接收元件100、接收第一类源信号的第二信号接收元件101、第一信号放大电路102、第二信号放大电路103、差分放大电路104、三阶信号放大电路105、滤波选频电路106、用以激励被测物使其产生第一类源激励信号的第一激励源107、用以激励被测物使其产生第一类源激励信号的第二激励源108 以及驱动第一激励源107和第二激励源108的第一激励源驱动器109和第二激励源驱动器110； 

所述第一信号接收元件100连接所述第一信号放大电路102的输入端，所述第二信号接收元件101连接所述第二信号放大电路103的输入端，所述第一信号放大电路102和第二信号放大电路103的输出端分别连接所述差分放大电路104的两个输入端，所述差分放大电路104的输出端连接所述三阶信号放大电路105的输入端，在所述差分放大电路104和三阶信号放大电路105之间连接所述的滤波选频电路106，所述第一激励源驱动器109和第二激励源驱动器110分别连接所述第一激励源107和第二激励源108，所述三阶信号放大电路105的输出端连接所述第一激励源驱动器109和第二激励源驱动器110。 

本探测装置在使用时，将第一信号接收元件100和第二第一信号接收元件100分开一定距离对称放在被测物上或附近，然后将两组探测信号差分放大，提取两组不同点信号的差值，并进行信号放大（第一信号放大电路102、第二信号放大电路103、差分放大电路104和三阶信号放大电路105三阶放大），放大探测的微弱信号，以便获得量值。将放大后的探测信号正向激励给激励源，这样给激励源正向反馈激励，使激励源产生与微弱探测信号频率相同的正向激励信号，使信号源（被探测物体）提高音量和声像清晰度，即便有噪声也能更容易提取和探测。 

本装置还可同时探测被测物的两种源信号，如图2所示，包括接收第二类源信号的第三信号接收元件200、接收第二类源信号的第四信号接收元件201、用以激励被测物使其产生第二类源激励信号的第三激励源202、用以激励被测物使其产生第二类源激励信号的第四激励源203，所述第三信号接收元件200连接所述第一信号放大电路102的输入端，所述第四信号接收元件201连接所 述第二信号放大电路103的输入端，所述第三激励源202连接在所述第一激励源驱动器109的输出端，所述第四激励源203连接在所述第二激励源驱动器110的输出端，所述第三激励源202和第四激励源203串联连接。 

参见图3、图4、图5和图6，所述差分放大电路104可以是包括差分比较器U1D以及由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4组成的反馈电路，所述第一信号放大电路102的输出端连接所述差分比较器U1D的第一输入端，所述第二信号放大电路103的输出端连接所述差分比较器U1D的另第二输入端，所述第一电阻R1和第二电阻R2串联，所述第一电阻R1还连接在所述第一信号放大电路102和所述差分比较器U1D的连接线路上，第三电阻R3还连接在所述第二信号放大电路103和所述差分比较器U1D的连接线路上，所述第二电阻R2连接在所述差分比较器U1D的第一输入端和所述差分比较器U1D的输出端之间，所述第四电阻R4连接在所述差分比较器U1D的第二输入端和地之间，所述差分比较器U1D的输出端为所述差分放大电路104的输出端。 

差分放大电路104的放大倍数由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4够构成的反馈电路决定。 

本装置经过上述第一信号放大电路102/第二信号放大电路103、差分放大电路104和三阶信号放大电路105的三阶放大将微弱的信号放大，从而便于探测和控制。 

滤波选频电路106能限制系统带宽，以抑制内部噪声及外部干扰。保证系统的信噪比大大改善，即使信号较微弱时，也能得到S/N>1的结果。 

一般的，源信号为光信号或电信号。本装置可用来单独测光信号或电信号， 也可以两者一起测。 

参见图3，是电信号探测装置的一种具体电路图。本图所示的微弱信号探测装置包括接收电信号的第一金属电极P1、第一放大器U1B、第二金属电极P2、第二放大器U1C、差分放大电路104、三阶信号放大电路105、滤波选频电路106、第一电感线圈L1、第二电感线圈L2、第一反相器U2A和第二反相器U2B，所述差分放大电路104包括差分比较器U1D以及由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4组成的反馈电路。所述第一金属电极P1连接所述第一放大器U1B的同相输入端，第一放大器U1B的反向输入端连接第一放大器U1B的输出端，第一放大器U1B的输出端连接所述差分比较器U1D的同相输入端，所述第二金属电极P2连接所述第二放大器U1C的同相输入端，第二放大器U1C的反向输入端连接第二放大器U1C的输出端，第二放大器U1C的输出端连接所述差分比较器U1D的反相输入端，所述第一电阻R1和第二电阻R2串联，所述第一电阻R1还连接在所述第一放大器U1B和所述差分比较器U1D的连接线路上，第三电阻R3还连接在所述第二放大器U1C和所述差分比较器U1D的连接线路上，所述第二电阻R2连接在所述差分比较器U1D的同相输入端和所述差分比较器U1D的输出端之间，所述第四电阻R4连接在所述差分比较器U1D的反向输入端和地之间，所述差分比较器U1D的输出端为所述差分放大电路104的输出端。所述差分比较器U1D的输出端连接第三放大器的同相输入端，所述第三放大器的反向输入端接地，在所述差分比较器U1D和第三放大器的同相输入端之间连接一个第一电容C1。所述第一反相器U2A和第二反相器U2B分别连接所述第一电感线圈L1和第二电感线圈L2，所述第一反相器U2A的输入端连接所述第三放大器的输出端，所述第一反相器U2A的的输出端连接所述第一电感线圈L1，所述第一电感线圈L1 和第二电感线圈L2串联，所述第二反相器U2B的输出端连接所述第二电感线圈L2，所述第二反相器U2B的输入端连接所述第一反相器U2A的输出端。所述第三放大器的输出端连接所述第一反相器U2A的输入端。 

使用时，第一金属电极P1和第二金属电极P2分开一定距离放在被测物的对称位置上或对称放在被测物的附近，探测到的生物电信号经放大并滤波后输出给第一电感线圈L1和第二电感线圈L2与被探测信号相同频率的正向激励信号，从而使被探测物更容易产生电磁信号，提高音量和声音清晰度，即便有噪声也能更容易提取和探测。本装置更适用于生物信号的探测，比如植物茎和叶片产生电信号和光信号（后面会讲到），或动物的身体发出的微弱光电信号，经过正向激励后植物和动物更容易进入同等状态，也是信号更容易提取和探测，比如人脑清醒状态时发出的β波（14—30次/秒）和睡眠状态时发出的α波（8—13次/秒）波，当给人脑以β波或α波激励时，人脑更容易进入清醒和睡眠状态。 

上述第一激励源驱动器109和第二激励源驱动器110采用的是反相器，还可以是施密特反相器。 

上述滤波选频电路106采用的是第一电容C1，所述差分放大器的输出端经过第一电容C1滤波后作为信号输出端P3连接到电脑或其他分析仪器进行分析处理。 

该电路中如果将金属电极替换成光敏二极管或光敏三极管就可以单独测光信号。 

在同一探测点，可以同时探测光信号和电信号。参见图4，本微弱信号探测装置还包括接收光信号的第一光敏二极管D1、接收光信号的第二光敏二极 管D2、用以激励被测物使其产生激励光信号的第一激励光敏二极管LD1、用以激励被测物使其产生激励光信号的第二激励光敏二极管LD2; 

所述第一光敏二极管D1连接所述第一放大器U1B的同相输入端，第二光敏二极管D2连接所述第二放大器U1C的同相输入端，所述第一激励光敏二极管LD1的阳极和第二激励光敏二极管LD2的阴极，第一激励光敏二极管LD1的阴极连接所述第一反相器U2A的输出端，第二激励光敏二极管LD2的阳极连接所述第二反相器U2B的输出端。当然，还可按照图4所示的第一激励光敏二极管LD1的阴极和第二激励光敏二极管LD2的阳极连接，第一激励光敏二极管LD1的阳极连接所述第一反相器U2A的输出端，第二激励光敏二极管LD2的阴极连接第二反相器U2B的输出端也可以。激励源（如第一激励光敏二极管LD1和第二激励光敏二极管LD2）可以提高画面清晰度，即便有噪声也能更容易提取和探测。 

所述第一光敏二极管D1和第二光敏二极管D2可替换为光敏三极管，第一激励光敏二极管LD1和第二激励光敏二极管LD2也可以是光敏三极管。 

本实施例的每对金属电极和光敏二极管（或光敏三极管）在同一探测点，可以同时探测光信号和电信号。将两组探测信号差分放大，提取两组不同点光电信号的差值，并进行信号放大，这样更有利于探测信号的量值。将探测到的信号正向激励给对应的激励源，这样给信号源正向反馈激励，是信号源更容易产生信号。 

参见图5，该图为在图4的基础上又在所述第一放大器U1B和第二放大器U1C各并联一个反馈电阻，第一放大器U1B并联第一反馈电阻R10，第二放大器U1C并联第二反馈电阻R11。第一反馈电阻R10和第二反馈电阻R11是用于决定第一放大器U1B和第二放大器U1C的放大倍数的，第一放大器的放 大倍数取决于第一反馈电阻R10和第一电阻R1，第二放大器的放大倍数取决于第二反馈电阻R11和第三电阻R3。反馈电阻可根据需要决定此处的放大倍数，使微弱信号按照需要放大。 

滤波选频电路106还可以是用于对测得的微弱光电信号进行振荡选频的振荡选频电路。振荡选频电路可以选出需要频率的信号，以便获取需要频率的信号。如图6，所述振荡选频电路包括一比较器U3B、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4，所述第四电容C4和第五电阻R5并联连接在所述比较器的第一输入端和地之间，所述第三电容C3和第六电阻R6串联连接在所述比较器的第一输入端和所述比较器的输出端之间，所述第一电容C1和第七电阻R7串联连接在所述差分放大电路104的输出端和所述比较器的第二输入端之间，所述第八电阻R8连接在所述比较器的第二输入端和所述比较器的输出端之间，所述比较器的输出端连接所述三阶信号放大电路105的输入端，所述第二电容C2连接在所述比较器和所述三阶信号放大电路105的连接线路上。 

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。 

Claims (10)

1.一种微弱信号探测装置，包括接收第一类源信号的第一信号接收元件、接收第一类源信号的第二信号接收元件、第一信号放大电路、第二信号放大电路、差分放大电路、三阶信号放大电路和滤波选频电路，所述第一信号接收元件连接所述第一信号放大电路的输入端，所述第二信号接收元件连接所述第二信号放大电路的输入端，所述第一信号放大电路和第二信号放大电路的输出端分别连接所述差分放大电路的两个输入端，所述差分放大电路的输出端连接所述三阶信号放大电路的输入端，在所述差分放大电路和三阶信号放大电路之间连接所述的滤波选频电路；其特征在于：还包括用以激励被测物使其产生第一类源激励信号的第一激励源、用以激励被测物使其产生第一类源激励信号的第二激励源以及驱动第一激励源和第二激励源的第一激励源驱动器和第二激励源驱动器，所述第一激励源驱动器和第二激励源驱动器分别连接所述第一激励源和第二激励源，所述三阶信号放大电路的输出端连接所述第一激励源驱动器和第二激励源驱动器。 

2.根据权利要求1所述的微弱信号探测装置，其特征在于：还包括接收第二类源信号的第三信号接收元件、接收第二类源信号的第四信号接收元件、用以激励被测物使其产生第二类源激励信号的第三激励源、用以激励被测物使其产生第二类源激励信号的第四激励源，所述第三信号接收元件连接所述第一信号放大电路的输入端，所述第四信号接收元件连接所述第二信号放大电路的输入端，所述第三激励源连接在所述第一激励源驱动器的输出端，所述第四激励源连接在所述第二激励源驱动器的输出端，所述第三激励源和第四激励源串联连接。 

3.根据权利要求1或2所述的微弱信号探测装置，其特征在于：所述差分放大电路包括差分比较器以及由第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻 组成的反馈电路，所述第一信号放大电路的输出端连接所述差分比较器的第一输入端，所述第二信号放大电路的输出端连接所述差分比较器的另第二输入端，所述第一电阻和第二电阻串联，所述第一电阻还连接在所述第一信号放大电路和所述差分比较器的连接线路上，第三电阻还连接在所述第二信号放大电路和所述差分比较器的连接线路上，所述第二电阻连接在所述差分比较器的第一输入端和所述差分比较器的输出端之间，所述第四电阻连接在所述差分比较器的第二输入端和地之间，所述差分比较器的输出端为所述差分放大电路的输出端。 

4.根据权利要求1或2所述的微弱信号探测装置，其特征在于：所述滤波选频电路为用于对测得的微弱光电信号进行振荡选频的振荡选频电路或滤波电容。 

5.根据权利要求4所述的微弱信号探测装置，其特征在于：所述振荡选频电路包括一比较器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，所述第四电容和第五电阻并联连接在所述比较器的第一输入端和地之间，所述第三电容和第六电阻串联连接在所述比较器的第一输入端和所述比较器的输出端之间，所述第一电容和第七电阻串联连接在所述差分放大电路的输出端和所述比较器的第二输入端之间，所述第八电阻连接在所述比较器的第二输入端和所述比较器的输出端之间，所述比较器的输出端连接所述三阶信号放大电路的输入端，所述第二电容连接在所述比较器和所述三阶信号放大电路的连接线路上。 

6.根据权利要求1-3中任一项所述的微弱信号探测装置，其特征在于：所述第一激励源驱动器和所述第二激励源驱动器均采用反相器，分别为第一反相器和第二反相器，所述第一反相器的输入端连接所述三阶信号放大电路的输 出端，所述第一反相器的的输出端连接所述第一激励源，所述第一激励源和第二激励源串联，所述第二反相器的输出端连接所述第二激励源，所述第二反相器的输入端连接所述第一反相器的输出端。 

7.根据权利要求6所述的微弱信号探测装置，其特征在于：所述第一激励源驱动器和第二激励源驱动器为施密特反相器。 

8.根据权利要求2所述的微弱信号探测装置，其特征在于：所述第一类源信号和第二类源信号为光信号或电信号。 

9.根据权利要求8所述的微弱信号探测装置，其特征在于：当所述源信号为电信号时，其对应的激励源驱动器为电感线圈；当所述源信号为光信号时，其对应的激励源驱动器为光敏二极管或光敏三极管。 

10.根据权利要求8所述的微弱信号探测装置，其特征在于：当所述源信号为电信号时，其对应的信号接收元件为金属电极；当所述源信号为光信号时，其对应的信号接收元件为光敏二极管或光敏三极管。 

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