CN207352066U - 一种信号检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种信号检测装置。该装置包括：信号调理电路、自适应滤波器、正交参考信号源、锁定放大器、幅值相位检测模块；信号调理电路的输入端接收待测信号，信号调理电路的输出端连接自适应滤波器的信号输入端；自适应滤波器的输出端同时连接两个锁定放大器的第一输入端；第一锁定放大器的第二输入端接收正交参考信号源发出的第一参考信号；第二锁定放大器的第二输入端接收正交参考信号源发出的第二参考信号，第二参考信号与第一参考信号为同频正交信号；幅值相位检测模块根据第一锁定放大器的输出信号和第二锁定放大器的输出信号输出待测信号的幅值和相位。采用实用新型的装置，任何范围的待测信号可完全恢复，准确度高。

Description

一种信号检测装置

技术领域

本实用新型涉及通信领域，特别是涉及一种信号检测装置。

背景技术

在谐波分析、频率特性测量、阻抗谱测量、雷达信号检测等领域，通常存在各种干扰，干扰主要来自环境噪声、电路干扰和人为干扰。在某些情况下，被测信号甚至被干扰淹没。

为了检测信号频率随时间动态变化信号(即信号频率、幅值和相位信息)，当干扰较小时，可以用常规的方法来实现，也可以利用集成电路芯片实现信号检测过程；当SNR(信噪比)小于0dB时，常规的检测方法难以完成检测，需要先滤除干扰，然后进行信号检测。这些方法主要有：(1)对于固定频率的信号，国内外采用的通用方法是利用滤波器来消除噪声。但问题是如果信号频率在较大的范围变化时，固定截止频率或中心频率的低通、带通滤波器无法实现频率跟踪。所以通常用可以实现频率跟踪的自适应滤波器抑制噪声，检测有用信号。但对于落在滤波器通带内的噪声无法滤除。(2)利用锁定放大器。这种方法效果较好，但是当SNR小于-20dB、且信号频率在一定频率范围变化时，由于噪声的频谱很宽，导致放大器的线性度、灵敏度变化较大，单独采用锁定放大器的效果不理想。因此，现有的信号检测装置，均只能对特定范围的信号进行检测，对于无特定范围的信号进行检测时，检测效果差，精度低。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种信号检测装置，对于任一范围的信号，均可进行准确的检测，提高检测精度。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种信号检测装置，所述装置包括：信号调理电路、自适应滤波器、正交参考信号源、锁定放大器、幅值相位检测模块；所述锁定放大器包括第一锁定放大器和第二锁定放大器；

所述信号调理电路的输入端接收待测信号，所述信号调理电路的输出端连接所述自适应滤波器的信号输入端；

所述自适应滤波器的输出端同时连接所述第一锁定放大器的第一输入端和所述第二锁定放大器的第一输入端，所述自适应滤波器用于将所述自适应滤波器的输出信号同时传输至所述第一锁定放大器和所述第二锁定放大器；

所述第一锁定放大器的第二输入端接收所述正交参考信号源发出的第一参考信号；所述第二锁定放大器的第二输入端接收所述正交参考信号源发出的第二参考信号，所述第二参考信号与所述第一参考信号为同频正交信号；

所述幅值相位检测模块接收所述第一锁定放大器的输出信号和所述第二锁定放大器的输出信号，所述幅值相位检测模块用于根据所述第一锁定放大器的输出信号和所述第二锁定放大器的输出信号输出待测信号的幅值和相位。

可选的，所述信号调理电路具体包括：输入缓冲模块、一级可调增益放大模块、二级可调增益放大模块、缓冲隔离模块和固定增益放大模块；

所述输入缓冲模块的输入端接收待测信号，所述输入缓冲模块的输出端输出的信号依次通过所述一级可调增益放大模块、所述二级可调增益放大模块、所述缓冲隔离模块和所述固定增益放大模块，所述固定增益放大模块的输出端连接所述自适应滤波器；

所述输入缓冲模块包括一个第一运算放大器和电阻；

所述一级可调增益放大模块包括一个第二运算放大器、电容和电感；

所述二级可调增益放大模块包括一个所述第二运算放大器、电容和电感；

所述缓冲隔离模块包括一个所述第一运算放大器和电阻；

所述固定增益放大模块包括两个第三运算放大器和电阻。

可选的，所述第一运算放大器的型号为OPA842，所述第二运算放大器的型号为AD603，所述第三运算放大器的型号为AD811。

可选的，所述自适应滤波器具体包括：整形电路、测频电路、FPGA模块、分频电路、F/V转换电路、程控电压放大电路和压控滤波器；

所述整形电路接收所述信号调理电路输出的信号，用于提取信号的基波并转变成矩形波；

所述测频电路将所述整形电路输出的信号传输至所述FPGA模块，所述FPGA模块用于测量所述测频电路的输出信号的基频；

所述FPGA模块的输入端连接所述测频电路的输出端，所述FPGA模块的输出端连接所述分频电路、所述程控电压放大电路和所述压控滤波器；

所述分频电路接收所述整形电路输出的信号，用于将信号频率分频至所述F/V转换电路的带宽范围内；

所述F/V转换电路接收所述分频电路输出的信号，用于将基频信号频率转换为电压；

所述程控电压放大电路的输入端接收所述F/V转换电路输出的信号，用于根据所述F/V转换电路输出的电压输出所述压控滤波器的控制电压；

所述压控滤波器接收所述信号调理电路输出的信号和所述程控电压放大电路输出的控制电压，用于对信号进行滤波。

可选的，所述第一锁定放大器具体包括：乘法器、低通滤波电路和放大电路；

所述乘法器采用的芯片型号为AD835；

所述低通滤波电路包括MAX296芯片；

所述放大电路包括OP07芯片和电阻。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

自适应滤波器能实时动态跟踪输入信号的变化，滤出部分干扰。正交参考信号源产生两路同频正交参考信号经双锁定放大器与自适应滤波器输出信号相乘，并滤除二次谐波之后得到直流分量，有效去除了自适应滤波器通带内噪声。最终，幅值相位检测模块提取信号的幅值和相位信息。由于待测信号的频率通过自适应滤波器已经测出，因此待测信号可完全恢复，与待测信号的范围无关，任何范围的信号均可采用本实用新型的装置准确的测得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型信号检测装置的结构图；

图2为本实用新型信号检测装置的信号调理电路的电路图；

图3为本实用新型信号检测装置的自适应滤波器的结构图；

图4为本实用新型信号检测装置的锁定放大器的电路图；

图5为本实用新型信号检测方法的流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型信号检测装置的结构图。如图1所示，所述装置包括：信号调理电路101、自适应滤波器102、正交参考信号源103、锁定放大器、幅值相位检测模块106；所述锁定放大器包括第一锁定放大器104和第二锁定放大器105；

所述信号调理电路101的输入端接收待测信号，所述信号调理电路101的输出端连接所述自适应滤波器102的信号输入端；

所述自适应滤波器102的输出端同时连接所述第一锁定放大器104的第一输入端和所述第二锁定放大器105的第一输入端，所述自适应滤波器102用于将所述自适应滤波器102的输出信号同时传输至所述第一锁定放大器104和所述第二锁定放大器105；

所述第一锁定放大器104的第二输入端接收所述正交参考信号源103发出的第一参考信号；所述第二锁定放大器105的第二输入端接收所述正交参考信号源103发出的第二参考信号，所述第二参考信号与所述第一参考信号为同频正交信号；

所述幅值相位检测模块106接收所述第一锁定放大器104的输出信号和所述第二锁定放大器105的输出信号，所述幅值相位检测模块106用于根据所述第一锁定放大器104的输出信号和所述第二锁定放大器105的输出信号输出待测信号的幅值和相位。

信号调理电路101的作用是将输入的弱信号首先经放大到足以满足后续电路工作的电平，然后经自适应滤波器102滤除部分干扰。自适应滤波器102滤波后的信号送入第一锁定放大器104和第二锁定放大器105，分别与正交参考信号源103输出的正交参考信号相乘，经低通滤波和放大后输出同相信号和正交信号最后经过幅值相位检测模块106得到幅值和相位

自适应滤波器102能动态跟踪输入含噪信号并滤除部分干扰，锁定放大器(104和105)通过将自适应滤波器102滤波后的信号与两路正交参考信号相乘并低通滤波，有效滤除了自适应滤波器102通带内噪声信号，得到包含有用信号幅值和相位信息的直流信号。

正交参考信号源103可采用直接数字式频率合成器(Direct DigitalSynthesizer，DDS)技术实现两路同频正交信号的调频调幅输出。幅值相位检测模块105可由数字信号处理(Digital SignalProcessing，DSP)、FPGA或单片机控制AD采样器件实现对同相输出信号V_x和正交输出信号Vy的采样，由此计算信号的幅值A和相位并予以显示，

设定系统输入的含噪弱信号(待测信号) 为待测信号的相位，ω为待测信号的频率；

经信号调理电路101放大，送入自适应滤波器102滤除高频分量后得到如下信号：

且A₁＝G×A，G为信号调理电路101的增益倍数。同时，通过自适应滤波器102已测量得到输入信号的频率ω。

正交参考信号源103分别产生两路与待测信号同频的正交信号：

经第一锁定放大器104和第二锁定放大器105分别与和相乘，并滤除二次谐波之后，分别得到同相输出信号V_x和正交输出信号V_y，其中：

则经过幅值相位检测模块106的计算可得到待测信号的幅值A，待测信号的相位

图2为本实用新型信号检测装置的信号调理电路的电路图。如图2所示，信号调理电路包括：输入缓冲模块、一级可调增益放大模块、二级可调增益放大模块、缓冲隔离模块和固定增益放大模块。所述输入缓冲模块的输入端接收待测信号，所述输入缓冲模块的输出端输出的信号依次通过所述一级可调增益放大模块、所述二级可调增益放大模块、所述缓冲隔离模块和所述固定增益放大模块，所述固定增益放大模块的输出端连接所述自适应滤波器；

所述输入缓冲模块包括一个第一运算放大器和电阻；如图所示，JP2是信号输入端，JP3是信号输出端。输入缓冲模块由运算放大器U1(型号为OPA842)和电阻R4组成，其引脚连接如下：

①U1引脚7和U1引脚4为正负电源端，分别接+5V和-5V。

②U1引脚3和电阻R4的一端连接，作为信号输入端，电阻R4另一端接地。

③U1引脚2和U1引脚6连接。引脚6同时与下一级的输入连接。

④U1引脚1和U1引脚8未用，在电路中悬空。

所述一级可调增益放大模块包括一个第二运算放大器(可调运算放大器U2(AD603))、电容(C1)和电感(L1)；所述二级可调增益放大模块包括一个所述第二运算放大器(U3(AD603))、电容(C2)和电感(L2)，其引脚连接如下：

①U2、U3的引脚8和引脚6为正负电源端，分别接+5V和-5V。

②U2、U3的引脚1和引脚2分别为一级和二级可调增益放大器的增益控制电压正负输入端，增益控制电压Vg可用Vg＝VPOS-VNEG表示，其中VPOS表示增益控制电压正输入端电压值，VNEG表示增益控制电压负输入端电压值。

则其每一级增益G控制范围为：

G(dB)＝{40×V_g+10|-500mV≤V_g≤-500mV}.

通过两级可调增益放大，可实现对输入信号增益最大80dB的连续可调放大。

③U2、U3的引脚3是信号输入端，分别与耦合电容C1、C2的一端连接。电容C1、C2的另一端分别与上一级的输出端连接。

④U2、U3的引脚4是运放公共端，分别与电感L1、L2的一端连接。电感L1、L2的另一端接地。

⑤U2、U3的引脚5是反馈端，分别与其输出端引脚7连接。引脚7同时与下一级放大的输入端连接。

所述缓冲隔离模块包括一个第一运算放大器(U4(OPA842))和电阻(R5)组成，其引脚连接如下：

①U4引脚7和引脚4为正负电源端，分别接+5V和-5V。

②U4引脚3和上一级放大的输出端连接。

③U4引脚2和引脚6连接，接电阻R5其中一端连接，电阻R5另一端接地，引脚6与下一级的输入连接。

④U4引脚1和引脚8未用，在电路中悬空。

所述固定增益放大模块包括两个第三运算放大器(U5(AD811)、U6(AD811))和少量电阻，其引脚连接如下：

①U5、U6引脚7和引脚4为正负电源端，分别接+5V和-5V。

②U5引脚2与电阻R6、R7的其中一端连接，电阻R6另一端接地，电阻R7的另一端接U5引脚6。

③U5引脚3接缓冲隔离电路的输出端。

④U6引脚2与电阻R9、R10的其中一端连接，电阻R9另一端接地，电阻R10的另一端接U6引脚6。

⑤U6引脚3与电阻R8的其中一端连接，电阻R8的另一端接U5的引脚6。

⑥U6引脚6是整个信号调理电路的信号输出端，与电路输出端子JP3连接。

图3为本实用新型信号检测装置的自适应滤波器的结构图。如图3所示，所述自适应滤波器具体包括：整形电路301、测频电路302、FPGA模块303、分频电路304、F/V转换电路305、程控电压放大电路306和压控滤波器307。

所述整形电路301接收所述信号调理电路输出的信号；为信号调理电路输出信号，为经滤波后的输出信号，整形电路301的作用是提取信号的基波并将其转变成矩形波，便于信号频率的测量。

所述测频电路302将所述整形电路输出的信号传输至所述FPGA模块303，所述FPGA模块303用于测量所述测频电路的输出信号的基频；测频电路302采用FPGA模块303实现信号基频的快速、实时测量。

所述FPGA模块303的输入端连接所述测频电路302的输出端，所述FPGA模块303的输出端连接所述分频电路304、所述程控电压放大电路306和所述压控滤波器307；FPGA模块303用于控制分频比和选择压控滤波器307的滤波器类型。

所述分频电路304接收所述整形电路301输出的信号，用于将信号频率分频至所述F/V转换电路305的带宽范围内；

所述F/V转换电路305接收所述分频电路304输出的信号，用于将基频信号频率转换为电压，为压控滤波器307提供控制电压V_c；由于目前F/V转换器件305的带宽不超过5MHz，因此采用分频电路304将信号频率分频至F/V转换器件305的带宽范围内。

所述程控电压放大电路306的输入端接收所述F/V转换电路305输出的信号，用于根据所述F/V转换电路305输出的电压输出所述压控滤波器307的控制电压；程控电压放大电路306根据分频电路304的分频比，将F/V转换电路305的输出电压乘以对应的分频比，作为压控滤波器307的控制电压V_c。

所述压控滤波器307接收所述信号调理电路输出的信号和所述程控电压放大电路306输出的控制电压，用于对信号进行滤波。所有电路元器件的选择考虑高频特性。

图4为本实用新型信号检测装置的锁定放大器的电路图。第一锁定放大器和第二锁定放大器实现方法一致。以第一锁定放大器为例说明其具体实施方式，如图4所示，第一锁定放大器具体包括：乘法器、低通滤波电路和放大电路。

乘法器采用型号为AD835的芯片(U7)和少量电阻构成，其引脚连接如下：

①U7引脚6和U7引脚3为正负电源端，分别接+5V和-5V。

②U7引脚5与电阻R12的一个引脚连接，R12的另一个引脚与U7引脚4和电阻R13的一个引脚连接，R13的另一个引脚接地。

③U7引脚8和U7引脚1连接并接地。

④U7引脚7接信号端U7引脚7接正交信号输出端以上述方式连接后，乘法器U7输出端信号可用表示。

低通滤波电路由型号为MAX296的芯片(U8)构成，其引脚连接如下：

①U8引脚7和U8引脚2为正负电源端，分别接+5V和-5V。

②U8引脚4和U8引脚3连接。

③U8引脚1接外部时钟输入端CK，为滤波器提供时钟信号。

④U8引脚8为滤波器信号输入端，与乘法器输出端相连接，U8引脚5为滤波信号输出端。

放大电路由型号为OP07的芯片(U9)及少量电阻构成，其引脚连接如下：

①U9引脚7和U9引脚4为正负电源端，分别接+5V和-5V。

②U9引脚2分别和电阻R14、可变电阻RP1的一端连接，R14的另一个引脚接地，RP1的可调输出端与另一固定端连接，并与U9引脚6连接，U9引脚6作为锁定放大器的输出端。

③U9引脚3与滤波电路输出端(U8引脚5)连接。

图5为本实用新型信号检测方法的流程图。信号检测方法采用图1所示的检测装置，具体装置的作用上述已经提及，此处不再赘述。如图5所示，所述方法包括：

步骤501：信号调理电路将待测信号放大，生成放大后的信号。

步骤502：采用自适应滤波器滤除所述放大后的信号中的高频分量，生成滤波后的信号。

步骤503：第一锁定放大器生成同相输出信号。第一锁定放大器根据所述滤波后的信号和所述第一参考信号，利用式生成同相输出信号Vx，其中，A1为滤波后的信号的幅值，为待测信号的相位，A2为所述第一参考信号和所述第二参考信号中的幅值，所述第一参考信号为：所述第二参考信号为：

步骤504：第二锁定放大器生成正交输出信号。第二锁定放大器根据所述滤波后的信号和所述第二参考信号，利用式生成正交输出信号V_y。

步骤505：幅值相位检测模块获得待测信号的幅值和相位。所述幅值相位检测模块根据所述同相输出信号和所述正交输出信号，利用式获得待测信号的幅值A，其中G为信号调理电路的增益倍数；利用式获得待测信号的相位

本实用新型首先利用自适应滤波器实时动态跟踪输入信号变化，滤除部分干扰；正交参考信号源产生两路同频正交参考信号经双锁定放大器与自适应滤波器输出信号相乘，并经低通滤波后得到包含有用信号幅值和相位信息的直流分量，最终通过幅值相位检测模块提取和再现有用信号。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (5)

1.一种信号检测装置，其特征在于，所述装置包括：信号调理电路、自适应滤波器、正交参考信号源、锁定放大器、幅值相位检测模块；所述锁定放大器包括第一锁定放大器和第二锁定放大器；

所述信号调理电路的输入端接收待测信号，所述信号调理电路的输出端连接所述自适应滤波器的信号输入端；

所述自适应滤波器的输出端同时连接所述第一锁定放大器的第一输入端和所述第二锁定放大器的第一输入端，所述自适应滤波器用于将所述自适应滤波器的输出信号同时传输至所述第一锁定放大器和所述第二锁定放大器；

所述第一锁定放大器的第二输入端接收所述正交参考信号源发出的第一参考信号；所述第二锁定放大器的第二输入端接收所述正交参考信号源发出的第二参考信号，所述第二参考信号与所述第一参考信号为同频正交信号；

所述幅值相位检测模块接收所述第一锁定放大器的输出信号和所述第二锁定放大器的输出信号，所述幅值相位检测模块用于根据所述第一锁定放大器的输出信号和所述第二锁定放大器的输出信号输出待测信号的幅值和相位。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号调理电路具体包括：输入缓冲模块、一级可调增益放大模块、二级可调增益放大模块、缓冲隔离模块和固定增益放大模块；

所述输入缓冲模块的输入端接收待测信号，所述输入缓冲模块的输出端输出的信号依次通过所述一级可调增益放大模块、所述二级可调增益放大模块、所述缓冲隔离模块和所述固定增益放大模块，所述固定增益放大模块的输出端连接所述自适应滤波器；

所述输入缓冲模块包括一个第一运算放大器和电阻；

所述一级可调增益放大模块包括一个第二运算放大器、电容和电感；

所述二级可调增益放大模块包括一个所述第二运算放大器、电容和电感；

所述缓冲隔离模块包括一个所述第一运算放大器和电阻；

所述固定增益放大模块包括两个第三运算放大器和电阻。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一运算放大器的型号为OPA842，所述第二运算放大器的型号为AD603，所述第三运算放大器的型号为AD811。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自适应滤波器具体包括：整形电路、测频电路、FPGA模块、分频电路、F/V转换电路、程控电压放大电路和压控滤波器；

所述整形电路接收所述信号调理电路输出的信号，用于提取信号的基波并转变成矩形波；

所述测频电路将所述整形电路输出的信号传输至所述FPGA模块，所述FPGA模块用于测量所述测频电路的输出信号的基频；

所述FPGA模块的输入端连接所述测频电路的输出端，所述FPGA模块的输出端连接所述分频电路、所述程控电压放大电路和所述压控滤波器；

所述分频电路接收所述整形电路输出的信号，用于将信号频率分频至所述F/V转换电路的带宽范围内；

所述F/V转换电路接收所述分频电路输出的信号，用于将基频信号频率转换为电压；

所述程控电压放大电路的输入端接收所述F/V转换电路输出的信号，用于根据所述F/V转换电路输出的电压输出所述压控滤波器的控制电压；

所述压控滤波器接收所述信号调理电路输出的信号和所述程控电压放大电路输出的控制电压，用于对信号进行滤波。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一锁定放大器具体包括：乘法器、低通滤波电路和放大电路；

所述乘法器采用的芯片型号为AD835；

所述低通滤波电路包括MAX296芯片；

所述放大电路包括OP07芯片和电阻。