CN210639247U

CN210639247U - 基于电源隔离的微弱电压信号检测系统

Info

Publication number: CN210639247U
Application number: CN201921500922.3U
Authority: CN
Inventors: 褚银泽; 岳伟挺
Original assignee: School of Information Engineering of Hangzhou Dianzi University
Current assignee: School of Information Engineering of Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2019-09-10
Publication date: 2020-05-29
Anticipated expiration: 2029-09-10

Abstract

本实用新型公开了一种基于电源隔离的微弱电压信号检测系统，包括：第一单片机、第二单片机、信号处理模块、相敏检波器、电流传感器；输入信号通过所述信号处理模块进行滤波和交流放大的处理，传输至所述相敏检波器；所述第一单片机向所述相敏检波器提供参考信号；所述输入信号进入所述相敏检波器后，传输至所述电流传感器；所述输入信号通过所述电流传感器将信号幅度放大，通过所述第二单片机显示。本实用新型提供的一种基于电源隔离的微弱电压信号检测系统，提出了基于锁相放大原理结合电磁传感器传输信号的检测装置，以实现前级滤波放大与后级单片机信号采集的电源隔离。

Description

基于电源隔离的微弱电压信号检测系统

技术领域

本实用新型涉及信号检测领域，具体地说，特别涉及一种基于电源隔离的微弱电压信号检测系统。

背景技术

微弱信号是指深埋在背景噪声中的微弱且有用的信号，随着科学技术的发展，微弱信号愈来愈受到人们的重视。在科学实验和工程实践中，对微弱信号的检测是一种非常重要的技术方法。微弱信号检测系统的主要功能是把混叠在噪音当中的有效信号检测出来，并通过放大等手段得到可以读取的信号。目前有以下几种方式检测微弱信号：

1、微弱振动信号的谐波小波频域提取

小波分析可以对非平稳信号、伴有强噪声的信号检测与分析，但常用的基于二进的小波存在明显的局限性，且在频域具有明显的移相特性。

2、生物芯片扫描微弱信号

根据生物芯片相对激光器及探测器是否移动来对生物芯片进行扫读，有扫描检测和固定检测之分。

扫描检测法灵敏度高，缺点是扫描时间长；固定检测法优点是可移动，部件少，缺点是分辨率及灵敏度低。

3.锁相放大器微弱信号检测

锁相放大器微弱信号检测系统运用正交性原理，去除非选定频率的信号，保留选定频率的信息，因此具有很强的抗噪声能力，目前被广泛应用在各种高精密测量系统中。优点是中心频率稳定，通频带窄，品质因数Q高等，缺点是参数稳定性和灵活性差，需要与微处理器通信时转换电路。

实用新型内容

为了克服电源对该检测电路的影响，本实用新型实施例提供了一种基于电源隔离的微弱电压信号检测系统。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种基于电源隔离的微弱电压信号检测系统，包括：第一单片机、第二单片机、信号处理模块、相敏检波器、电流传感器；

输入信号通过所述信号处理模块进行滤波和交流放大的处理，传输至所述相敏检波器；所述第一单片机向所述相敏检波器提供参考信号；所述输入信号进入所述相敏检波器后，传输至所述电流传感器；所述输入信号通过所述电流传感器将信号幅度放大，通过所述第二单片机显示。

进一步的，所述信号处理模块包括带通滤波器和交流放大器；所述带通滤波器与交流放大器连接，所述输入信号输入通过所述带通滤波器进行滤波处理，通过所述交流放大器进行交流放大处理。

进一步的，所述相敏检波器采用开关元件。

进一步的，所述电流传感器包括功率放大器、变压器以及跟随器；所述功率放大器的输入端为信号通道，用于所述输入信号进入；所述放大器的输出端接入负载，所述负载连接变压器的一端，所述变压器的另一端连接所述跟随器。

进一步的，所述功率放大器采用TDA2030音频功放芯片。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本实用新型提供的一种基于电源隔离的微弱电压信号检测系统，提出了基于锁相放大原理结合电磁传感器传输信号的检测装置，以实现前级滤波放大与后级单片机信号采集的电源隔离。

本实用新型利用锁相放大器中的相敏检波器，通过电流传感器的传输信号，既有高信噪比的特性，同时有轻便携带的优点。

电流传感器由罗氏线圈和信号处理系统构成。罗氏线圈又称磁位计，是一种绕制在非磁性骨架上的空心线圈，基于电磁感应原理对大电流进行测量。具有测量范围宽、精度高、绝缘性能好和无磁饱和现象等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的一种基于电源隔离的微弱电压信号检测系统的模块示意图；

图2是本实用新型实施例的带通滤波器和交流放大器的电路图；

图3是本实用新型实施例的相敏检波器的电路图；

图4是本实用新型实施例的波形示意图；

图5是本实用新型实施例的功率放大器的电路图；

图6是本实用新型实施例的负载与跟随器的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

本实用新型提供了一种基于电源隔离的微弱电压信号检测系统，参见图1，包括：第一单片机100、第二单片机200、信号处理模块300、相敏检波器400、电流传感器500；

输入信号通过所述信号处理模块300进行滤波和交流放大的处理，传输至所述相敏检波器400；所述第一单片机100向所述相敏检波器400提供参考信号；所述输入信号进入所述相敏检波器400后，传输至所述电流传感器500；所述输入信号通过所述电流传感器500将信号幅度放大，通过所述第二单片机200显示。

本实施例中，相敏检波器是一种利用相关检测技术的仪器，输入为脉冲信号等规律交流信号，其输出为正比于输入信号幅值的正弦信号。电流传感器是一种通过交变磁场传递信号的设计。相敏检波器与电流传感器结合，既可以对有用信号进行提取，又保障了单片机与信号处理间电气隔离的安全性。

以下为本系统的信号检测流程说明：

1.对于5mV的微弱信号，本设计采用带宽滤波和运算放大的方法达到相敏检波要求的电平。通过带宽滤波，提高了信噪比，减少对相敏检波器的动态容限的要求。运算放大器的倍数为50倍，可以输出0～0.25V的信号幅值至相敏检波器。

2.进入相敏检波后，A单片机对相敏检波器提供参考信号(可以根据实际情况调节参考信号的初始角)，相敏检波器对输入信号与参考信号相乘，将信号从噪声中检出。

3.信号进入由TDA2030组成的功率放大电路，将信号幅值放大，负载接入10Ω功率电阻的电路，同时电线能产生不断变换的磁场，通过罗氏线圈检测出不断变换的电压值。

4.得到的电压值进入跟随器，并接入B单片机，最终显示在屏幕上。

具体地，本系统采用两个独立单片机，第一单片机提供信号给前部分的相敏检波器，第二单片机在后部分采集电压值，显示信号波形。

具体地，本实施例中，埋没在高频噪音的微弱信号需要进行带通滤波和交流放大的处理。带通滤波是为了提高有效信号的信噪比，交流放大倍数为51倍。微弱信号的幅值为5mV，如图2所示，C1、C2、R1、R2构成的带通滤波器的截止频率为995.2HZ～1061.6HZ，本实施例检测的微弱信号频率为1KHZ，因此可以极大程度地除去噪声，提高信噪比。交流放大器采用TI生产的超低噪声、零漂移的精密运放OPA388，增益宽带为10MHZ，满足系统对输入信号要求，双电源供电范围为±1.25～±2.75满足电池供电要求。同向比例放大倍率范围为51倍。经过放大后的信号幅值为255mV,满足相敏检波器输入的要求。

进一步的，所述相敏检波器采用开关元件。

具体地，本系统主要通过PSD(相敏检波器)提取信号并滤去杂波，相敏检波器一般由乘法运算模拟电路组成，本实施例中，采用开关元件进行检波，实现频率交换。通过单片机输出高低电平进行信号的极性转换。如图3所示，当单片机A输出的参考信号为高电平时，开启同向跟随器，当输出低电平时，开启反向跟随器，因此总输出即为正弦信号的绝对值。在实际情况中，存在有用信号的初始角与参考值不相等，可通过单片机进行偏移。

如图4所示，上级的有用信号为正弦信号，参考信号为占空比50的阶梯信号，当正弦信号为负时，参考信号为负电压，开启的反相跟随器将信号反向，从而使相敏检波器输出的有用信号值为正弦的绝对值。

具体地，参见图5，本实施例中，所述功率放大器采用TDA2030音频功放芯片，TDA2030具有体积小、输出功率大、失真率小、价格低廉和具有内部保护电路的优点。该电路为同向比例放大电路，最大放大倍数为41倍，以达到单片机采样幅值的要求。为了使负载电路中交变电流足够大，产生稳定的磁场，因此接入的负载为10Ω功率电阻。

在仿真中，参见图6，功率放大器的负载接入了10Ω功率和变压器，其输出信号传至跟随器，跟随器输入阻抗高，输出阻抗低，起到了缓冲器的作用。

同时，本实施例的最大电压为6V，锂电池满足本系统的供电需求。由于本系统由小型罗氏线圈、四片放大器芯片和一些电阻电容构成，总体积约为正常手机大小，能实现便携的特点。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于电源隔离的微弱电压信号检测系统，其特征在于，包括：第一单片机、第二单片机、信号处理模块、相敏检波器、电流传感器；

2.如权利要求1所述的基于电源隔离的微弱电压信号检测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括带通滤波器和交流放大器；所述带通滤波器与所述交流放大器连接，所述输入信号输入通过所述带通滤波器进行滤波处理，通过所述交流放大器进行交流放大处理。

3.如权利要求1所述的基于电源隔离的微弱电压信号检测系统，其特征在于，所述相敏检波器采用开关元件。

4.如权利要求1所述的基于电源隔离的微弱电压信号检测系统，其特征在于，所述电流传感器包括功率放大器、变压器以及跟随器；所述功率放大器的输入端为信号通道，用于所述输入信号进入；所述放大器的输出端接入负载，所述负载连接变压器的一端，所述变压器的另一端连接所述跟随器。

5.如权利要求4所述的基于电源隔离的微弱电压信号检测系统，其特征在于，所述功率放大器采用TDA2030音频功放芯片。