CN204633728U - 微弱信号检测装置 - Google Patents

Abstract

实用新型涉及一种信号检测电路，具体的说，涉及一种精密的微弱信号检测装置。主要由加法器U1、带通滤波器、相敏检波器U6、移相器、低通滤波器U7和单片机及显示器U5组成,通过加法器中生成叠加信号，经过带通滤波器产生滤波信号，并与移相信号通过相敏检波器产生解调信号，经低通滤波器，得到所需的直流分量。该检测装置结构简单，且之前现有装置的检测速度无法满足频率较高的检测信号，提高信号检测的可靠性，并减少了外部电路，且调试方便、动态范围大和价格低廉。

Description

微弱信号检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种信号检测电路，具体的说，涉及一种精密的微弱信号检测装置。

背景技术

微弱信号是指微弱量，如弱光、小位移、微振动等，通过传感器作非电量转换，使检测对象变为电压电流模拟量。但由于外界干扰，如传感器本身噪音和测量仪表的噪音，使有用信号被大量干扰和噪音淹没，导致信号检测误差大。

所谓的微弱信号检测电路是检测出背景噪音覆盖的微弱信号，现有的微弱信号检测方法有多种，包括时域检测法和频域检测法。由于时域检测法的检测系统结构复杂且检测精度较低；目前普遍采用频域检测法检测微弱信号。

中国专利号CN203859727公开一种检测微弱信号的装置，主要由差分放大电路、带通滤波电路、波形整形电路、移相电路、模拟乘法器、低通滤波器、AD转换器和显示器组成，通过该装置将微弱信号提取，并计算得到检测信号的有效值。在该装置中，通过滤波电路得到的滤波信号，要经过波形整形电路和移相电路进行整形处理和移相处理，进而输出至锁相环放大电路中。该装置在一定程度上可进行微弱信号的检测，但该装置的电路组成结构较为复杂，且该装置的检测速度无法满足频率较高的检测信号，导致检测结果可靠性差。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种微弱信号检测装置，对微弱信号的快速、准确、高效的进行检测，提高信号检测的可靠性和精确性。

本实用新型的技术方案是：微弱信号检测装置主要由加法器U1、带通滤波器、相敏检波器U6、移相器、低通滤波器U7和单片机及显示器U5组成，被检测信号I0和白噪声信号Z0与加法器U1的信号输入端电连输出叠加信号D0，加法器U1的信号输出端与带通滤波器的信号输入端电连输出滤波信号L0；参考信号X0与被检测信号I0同频，参考信号X0通过与移相器电连输出移相信号Y0，滤波信号L0和移相信号Y0与相敏检波器U6的信号输入端电连输出解调信号J0，相敏检波器U6的信号输出端与低通滤波器U7的信号输入端电连，低通滤波器U7的信号输出端依次与单片机和显示器相连，通过显示器进行显示。

优选的是，该检测装置加法器U1的信号输入输出信号为：被检测信号I0和白噪声信号Z0分别通过电阻R2和电阻R3与加法器U1的同相端电连，加法器U1的反相端与加法器U1的输出端电连。

为滤除高频和低频噪声信号，提高系统检测性能，采用中心频率为80Hz的滤波器，且滤波器Q值高，选频精度高。所述带通滤波器共包括三级运算放大器，第一级运算放大器U2的反相端与电容C3和电阻R8电连，电容C3的另一端分别与电容C4和电阻R1电连，电阻R1的另一端与加法器U1的输出端电连。电容C4的另一端和电阻R8的另一端与第一级运算放大器U2的输出端电连，第一级运算放大器U2的同向端接地；第二级运算放大器U3的反相端与电容C5和电阻R11电连，电容C5的另一端分别与电容C6和电阻R10电连，电阻R10的另一端与第一级运算放大器U2的输出端电连。电容C6的另一端和电阻R11的另一端与第二级运算放大器U3的输出端电连，第二级运算放大器U3的同向端接地；第三级运算放大器U4的反相端与电容C7和电阻R14电连，电容C7的另一端分别与电容C8和电阻R13电连，电阻R13的另一端与第二级运算放大器U2的输出端电连。电容C8的另一端和电阻R14的另一端与第三级运算放大器U3的输出端电连，第三级运算放大器U3的同向端接地。

所述移相器共包括两级并列的运算放大器，参考信号X0分别通过电阻R15和电阻R16与第一级运算放大器U8的同相端和第二级运算放大器U9的反相端、电阻R18电连，第一级运算放大器U8的反相端通过电阻R17与第一级运算放大器U8的输出端和电容C9电连；第二级运算放大器U9的反相端接地，电阻R18与第二级运算放大器U9的输出端和可调电阻R19电连；电容C9的另一端和可调电阻R19的另一端与相敏检波器U6的信号输入端电连。

所述低通滤波器U7优选采用切比雪夫滤波器，截止频率为1Hz，将通带以外信号的衰减更为陡峭，通带很窄，在信号不失真的情况下使最后输出波形更加平滑，性能更加可靠。

本实用新型与现有技术相比的有益效果为：

1)该检测装置结构简单，且之前现有装置的检测速度无法满足频率较高的检测信号，提高信号检测的可靠性；

2)相敏检波器采用开关型模拟乘法器AD630，内含可进行方波转换的比较器，减少了外部电路，且调试方便、动态范围大和价格低廉；

3)低通滤波器U7优选采用截止频率为1Hz的切比雪夫滤波器，将通带以外信号的衰减更为陡峭，在信号不失真的情况下使最后输出波形更加平滑，性能更加可靠。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为信号通道的电路原理图；

图3为参考通道的电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本实用新型的保护范围。

实施例1

该微弱信号检测装置主要由加法器U1、带通滤波器、相敏检波器U6、移相器、低通滤波器U7和单片机及显示器U5组成。

被检测信号I0和白噪声信号Z0与加法器U1的信号输入端电连输出叠加信号D0，加法器U1的信号输出端与带通滤波器的信号输入端电连输出滤波信号L0，参考信号X0通过与移相器电连输出移相信号Y0，滤波信号L0和移相信号Y0与相敏检波器U6的信号输入端电连输出解调信号J0，相敏检波器U6的信号输出端与低通滤波器U7的信号输入端电连，滤除解调信号中的交流分量，得到所要求的直流分量，并通过显示器显示。

加法器U1和带通滤波器组成信号通道，实现对微弱信号和噪声的叠加并进行信号的初步处理，图2为信号通道的电路原理图。

图2中，被检测信号I0和白噪声信号Z0分别通过电阻R2和电阻R3与加法器U1的同相端电连，加法器U1的反相端与加法器U1的输出端电连。

带通滤波器采用中心频率为80Hz的滤波器，带通滤波器共包括三级运算放大器。

第一级运算放大器U2的反相端与电容C3和电阻R8电连，电容C3的另一端分别与电容C4和电阻R1电连，电阻R1的另一端与加法器U1的输出端电连。电容C4的另一端和电阻R8的另一端与第一级运算放大器U2的输出端电连，第一级运算放大器U2的同向端接地。

第二级运算放大器U3的反相端与电容C5和电阻R11电连，电容C5的另一端分别与电容C6和电阻R10电连，电阻R10的另一端与第一级运算放大器U2的输出端电连。电容C6的另一端和电阻R11的另一端与第二级运算放大器U3的输出端电连，第二级运算放大器U3的同向端接地。

第三级运算放大器U4的反相端与电容C7和电阻R14电连，电容C7的另一端分别与电容C8和电阻R13电连，电阻R13的另一端与第二级运算放大器U2的输出端电连。电容C8的另一端和电阻R14的另一端与第三级运算放大器U3的输出端电连，第三级运算放大器U3的同向端接地。

参考信号X0与被检测信号I0同频，参考信号X0经移相器进行0-180°相移产生移相信号，构成参考通道，图3为参考通道的电路原理图。

图3中，参考通道的移相器共包括两级并列的运算放大器，

参考信号X0分别通过电阻R15和电阻R16与第一级运算放大器U8的同相端和第二级运算放大器U9的反相端、电阻R18电连，第一级运算放大器U8的反相端通过电阻R17与第一级运算放大器U8的输出端和电容C9电连；第二级运算放大器U9的反相端接地，电阻R18与第二级运算放大器U9的输出端和可调电阻R19电连；电容C9的另一端和可调电阻R19的另一端与相敏检波器U6的信号输入端电连。

相敏检波器U6采用开关型模拟乘法器AD630，相敏检波器U6内含可进行方波转换的比较器，调试方便，动态范围大，且减少了外部电路，节约电路成本。

低通滤波器U7采用切比雪夫滤波器，截止频率为1Hz。在保证信号不失真的情况下使最后输出波形更加平滑，性能更加可靠。

该检测装置的工作过程为：

被检测信号采用频率为80Hz且幅值很小的正弦波信号，被检测信号与白噪声信号同时进入加法器中生成叠加信号，由于白噪声信号的信号幅值和频率远大于被测信号的幅值与频率，导致被测信号会被白噪声信号完全覆盖。生成的叠加信号经过中心频率为80Hz的带通滤波器，滤除掉其中的高频分量和低频分量，产生滤波信号。参考信号是与被测信号同频率的正弦波信号，参考信号经移相器进行0-180°相移产生移相信号，移相信号与滤波信号同时进入相敏检波器中进行信号的调制与解调，产生解调信号。产生的解调信号经过截止频率为1Hz的低通滤波器，滤除其中的交流分量，保留信号中的直流分量，并通过显示器显示。

Claims (5)

1.微弱信号检测装置，其特征在于：该检测装置主要由加法器U1、带通滤波器、相敏检波器U6、移相器、低通滤波器U7和单片机及显示器U5组成，被检测信号I0和白噪声信号Z0与加法器U1的信号输入端电连输出叠加信号D0，加法器U1的信号输出端与带通滤波器的信号输入端电连输出滤波信号L0；参考信号X0与被检测信号I0同频，参考信号X0通过与移相器电连输出移相信号Y0，滤波信号L0和移相信号Y0与相敏检波器U6的信号输入端电连输出解调信号J0，相敏检波器U6的信号输出端与低通滤波器U7的信号输入端电连，低通滤波器U7的信号输出端依次与单片机和显示器相连，通过显示器进行显示。

2.根据权利要求1所述的微弱信号检测装置，其特征在于：被检测信号I0和白噪声信号Z0分别通过电阻R2和电阻R3与加法器U1的同相端电连，加法器U1的反相端与加法器U1的输出端电连。

3.根据权利要求1所述的微弱信号检测装置，其特征在于：所述带通滤波器采用中心频率为80Hz的滤波器，共包括三级运算放大器，第一级运算放大器U2的反相端与电容C3和电阻R8电连，电容C3的另一端分别与电容C4和电阻R1电连，电阻R1的另一端与加法器U1的输出端电连，电容C4的另一端和电阻R8的另一端与第一级运算放大器U2的输出端电连，第一级运算放大器U2的同向端接地；第二级运算放大器U3的反相端与电容C5和电阻R11电连，电容C5的另一端分别与电容C6和电阻R10电连，电阻R10的另一端与第一级运算放大器U2的输出端电连，电容C6的另一端和电阻R11的另一端与第二级运算放大器U3的输出端电连，第二级运算放大器U3的同向端接地；第三级运算放大器U4的反相端与电容C7和电阻R14电连，电容C7的另一端分别与电容C8和电阻R13电连，电阻R13的另一端与第二级运算放大器U2的输出端电连，电容C8的另一端和电阻R14的另一端与第三级运算放大器U3的输出端电连，第三级运算放大器U3的同向端接地。

4.根据权利要求1所述的微弱信号检测装置，其特征在于：所述移相器共包括两级并列的运算放大器，参考信号X0分别通过电阻R15和电阻R16与第一级运算放大器U8的同相端和第二级运算放大器U9的反相端、电阻R18电连，第一级运算放大器U8的反相端通过电阻R17与第一级运算放大器U8的输出端和电容C9电连；第二级运算放大器U9的反相端接地，电阻R18与第二级运算放大器U9的输出端和可调电阻R19电连；电容C9的另一端和可调电阻R19的另一端与相敏检波器U6的信号输入端电连。

5.根据权利要求1所述的微弱信号检测装置，其特征在于：所述低通滤波器U7采用切比雪夫滤波器，截止频率为1Hz。