[發明專利]基于調制雙穩態隨機共振原理的微弱信號檢測電路

有效

• 申請號: 201210592099.X
• 申請日: 2012-12-29
• 公開（公告）號: CN103063914A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 趙文禮;方倩;劉進;王林澤;王橋醫
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01R23/02
• 分類號: G01R23/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于微弱信號檢測與處理領域，涉及一種基于調制雙穩態隨機共振原理的微弱信號檢測電路。

背景技術

基于隨機共振原理的檢測方法利用了噪聲，非線性系統和信號之間的協同效應，實現了背景噪聲能量向檢測信號能量的轉移，提高了輸出信噪比，對輸入信號起到了放大作用。但以絕熱近似理論為代表的各種近似理論研究表明，只有在小參數（信號的頻率、幅值、噪聲的強度都遠小于1）條件下，利用隨機共振理論檢測微弱信號才有明顯的優勢。然而在工程實際如機械故障中，更常見的是一些中低頻信號，因而如何將隨機共振原理應用于中低頻信號的檢測成為工程應用中的關鍵。

利用信號調制原理將待測的周期信號和DDS芯片產生的掃頻信號混頻后加到非線性雙穩態系統中實現隨機共振，實質上是一種頻率上的遷移過程——使原本不符合絕熱近似理論為代表的各種近似理論的待檢測信號轉化為符合條件的待檢測信號。并設計了基于這種方法的混頻隨機共振電路系統。通過實驗，驗證了該電路系統可用于較高頻率微弱信號的檢測。

所用朗之萬（Langevin）方程可以描述為：

?????????????????????????????????（1）

式1中?a?,b均大于零，是決定勢阱的形狀參數，是外加周期調制信號，其中A為信號幅值，ω是調制信號頻率，代表高斯分布白噪聲，且滿足統計均值和自相關函數分別為：?

????????????????????????????????????????（2）

式中：D為噪聲強度，是延遲時間。是沖擊函數，則此非線性雙穩態系統所對應的勢函數為：

??????????????????????????????????????????????（3）

式3代表一個由兩勢阱和一勢壘組成的雙穩態系統。這時，經典的隨機共振原理就可以描述成一個過阻尼粒子在兩穩態勢阱中運動的模型。

在靜態條件下:A=D=0時，系統具有兩個相同勢阱和一個勢壘，阱底位于,勢壘高度為。當a=b=1時，阱底位于，勢壘高度為。在無信號和噪聲輸入時，該系統的初始狀態決定了質點處于兩個勢阱中的其中一個勢阱。當有幅值A>0的信號輸入該系統時，系統將不再處于平衡狀態，勢阱在信號的驅動下，按照頻率發生周期傾斜運動。如果A<（），質點仍只能以相同的頻率在某個勢阱內進行小范圍的周期運動。但是如果引入噪聲后，即使A<,質點也會出現從原來的勢阱躍遷到另一個勢阱的現象，此時的系統輸出頻率等同于信號的頻率，以此頻率來回在兩勢阱中切換。如果A>0時，信號就可以給系統兩勢阱之間的切換引入周期變化量，從而可以使對噪聲引起的切換同步進行，也就加強了系統輸出中的小周期分量。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于調制雙穩態隨機共振原理的微弱周期信號檢測電路，是一種可以對淹沒在強噪聲背景下的微弱信號進行有效檢測的方法。本發明解決技術問題所采取的技術方案為：

基于調制雙穩態隨機共振原理的微弱信號檢測電路，包括MCU控制模塊、顯示模塊、輸入模塊、調制信號產生模塊、參數通道選擇模塊和調制隨機共振檢測模塊。

整個電路采用+15V、-15V以及+5V的直流電壓；MCU控制模塊主要控制產生控制信號并控制參數通道選擇模塊；顯示模塊顯示調制隨機共振檢測模塊內調制信號的頻率、強度、系統檢測頻率掃描范圍、步進值及參數選擇通道；調制信號產生模塊產生調制信號，然后與待測信號混合后送入調制隨機共振檢測模塊；調制隨機共振檢測模塊包括四個子模塊，分別是調制電路運算模塊、積分運算模塊、反向比例運算模塊、乘法器運算模塊。

其中調制電路運算模塊對輸入電壓V1和調制信號電壓V2進行一次乘法運算后輸出V_c1信號，經過比例運算放大器OPA4227（IC1D）對輸入的V_c1信號進行10倍放大后送入積分運算模塊，得到-V_c2信號，此時分為兩路引出，一路經過集成乘法器芯片MPY634(IC5)和集成乘法器芯片MPY634(IC4)后得到V_c3信號，一路再經過比例運算放大器OPA4227（IC2B）放大后輸出信號V_c2，將V_c2信號經過參數調整模塊得到將V_c4信號，同時可得到最終輸出信號V_c2。