一种用于重力梯度测量的微弱信号检测电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于重力梯度测量的微弱信号检测电路，由四个I/V转换电路、两个一级放大电路、二级放大电路、陷波电路、带通滤波电路、相敏检波电路和低通滤波电路组成，电路结构简单。由于重力梯度张量只包含于二倍频正弦波调制信号中，本检测电路主要消除直流分量、一倍频正弦波分量、其他高次谐波和随机噪声，从极其微弱的二倍频信号中检测出梯度张量信号。本发明极大的抑制了一倍频调制信号，充分放大了二倍频调制信号，同时避免一倍频调制信号产生动态失真，实现了对二倍频调制信号的精确测量，检测分辨率高。
【专利说明】—种用于重力梯度测量的微弱信号检测电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微弱信号检测电路，特别涉及一种用于重力梯度测量的微弱信号检测电路，属于信号检测技术。
【背景技术】
[0002]重力场资料获取需要依靠重力测量仪器实现，通过重力测量仪器获取的重力场观测数据，可广泛应用于计量学、大地测量、地球物理、地球动力学、空间科学、灾害预测、海洋科学等多个领域。由于重力梯度信号调制在较低频率上，并且重力梯度传感器输出信号强度非常微弱(可达PA级)，重力梯度仪传感器输出信号中有用的二倍频调制信号深埋在直流分量、一倍频调制信号分量和噪声分量中，信噪比可大于120dB。并且一倍频调制信号和二倍频调制信号之间的频率差很小。一倍频正弦波调制信号在通过检测电路时可能会产生二倍频失真，对于被测的二倍频调制信号是同频干扰信号，对二倍频调制信号的精确测量会产生极大的影响。二倍频调制信号频率很低，导致半导体器件的Ι/f噪声显著，因此要克服Ι/f噪声给测量带来了困难。检测电路中采用的相关检测和滤波等微弱信号检测方法，由于测量系统的响应时间不可能太长，使这些方法抑制噪声和干扰的能力受到限制。现有的仪器不能直接对超低频的微弱信号检测，因此需要专用的微弱信号检测电路来检测重力梯度仪传感器输出信号中的梯度信息。
【发明内容】
[0003]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种用于重力梯度测量的微弱信号检测电路，该电路结构简单，检测分辨率高。
[0004]通过I/V转换、零位扣除电路，放大电路，陷波电路,带通电路,相敏检波电路和低通滤波电路，实现对重力梯度仪传感器输出信号中梯度张量信息的检测。
[0005]本发明的技术解决方案是:一种用于重力梯度测量的微弱信号检测电路，重力梯度仪上安装四个加速度计，每两个加速度计构成一组，每组加速度计对称安装，由四个I/V转换电路、两个一级放大电路、二级放大电路、陷波电路、带通滤波电路、相敏检波电路和低通滤波电路组成，四个加速度计产生的四路电流信号分别经过四个Ι/v转换电路转换成四路电压信号，每组加速度计转换的两路电压信号分别经过一个一级放大电路进行放大处理用于抵消电压信号中极性反的一倍频调制信号，并将同极性的二倍频调制信号进行相加放大，二级放大电路对两个一级放大电路输出的电压信号进行相加放大，陷波电路对二级放大电路放大后的电压信号进行一倍频信号抑制再次扣除残留的一倍频调制信号，带通滤波电路对陷波电路输出的电压信号进行带通滤波，带通滤波后的电压信号通过相敏检波电路进行相敏检波后最后经过低通滤波电路滤波得到梯度张量电压信号。
[0006]I/V转换电路由反相比例放大电路、积分电路、电压跟随电路和电阻Rf组成，其中第一运算放大器A1与电阻Rf、电容C。组成反相比例放大电路实现电流信号到电压信号的转换，电阻Rf、电容C。并联后接在第一运算放大器A1的反向输入和输出端之间，第二运算放大器A2、电阻R1和电容C组成积分电路，电容C接在第二运算放大器A2的反向输入端和输出端之间，电阻R1接在第一运算放大器A1的输出端与第二运算放大器A2的反向输入端之间，第三运算放大器A3、电阻R2和电阻R3组成电压跟随器，电阻R2接在第二运算放大器A2的输出端与第三运算放大器A3的反向输入端之间，电阻R3接在第三运算放大器A3的反向输入端与输出端之间，第三运算放大器A3的输出端与输入电流之间接电阻Rf，第一运算放大器Ap第二运算放大器A2与第三运算放大器A3的正向输入端接地。
[0007]带通滤波电路由四个运算放大器六4、~36、~、8个电阻1^ 4、R 5、R 6、R 7、R 8、R9、R 1(1、R n和两个电容C 1、C 2组成，电阻R4的一端接陷波电路的输出，另一端接第四运算放大器A4的反向输入端，电阻R 5接在第四运算放大器A4的输出端和反向输入端之间，第四运算放大器A4的输出端依次接电阻R6、R7形成带通电路的输出，第六运算放大器A6的正向输入端接在电阻R6、R7之间，电阻R9接在第六运算放大器A6的反向输入端和输出端之间，电阻R8接在第五运算放大器A5的反向输入端和第六运算放大器A6的输出端之间，电阻R10接在第六运算放大器A6的反向输入端和第七运算放大器A7的输出端之间，电容C2接在第五运算放大器A5的反向输入端和输出端之间，第五运算放大器A5的输出端接电阻R7的输出端，电容C1接在第七运算放大器A7的反向输入端和输出端之间，电阻R11接在第七运算放大器A7的反向输入端和第五运算放大器A5的输出端之间,运算放大器A4、A5、A7的正向输入端接地。
[0008]陷波电路由运算放大电路A8、电阻R12、R13、R14和权利要求3所述的带通电路组成，电阻R14接在运算放大电路AS的输出端和反向输入端之间，电阻R13与带通电路串联接在运算放大电路A8的输出端和反向输入端之间，电阻R12的一端接二级放大电路的输出，另一端接运算放大电路A8的`反向输入端，运算放大电路A8的输出作为陷波电路的输出。
[0009]本发明与现有技术相比的有益效果是:本发明由四个I/V转换电路、两个一级放大电路、二级放大电路、陷波电路、带通滤波电路、相敏检波电路和低通滤波电路组成，电路结构简单。本发明将四个包括一倍频调制信号、二倍频调制信号、直流偏置信号和噪声的电流输入信号通过四个Ι/ν转换电路后电流信号变为电压信号并放大50000倍，同时直流偏置分量被扣除，A、B路电压信号输入第一级反相放大器中，其中A、B路中的一倍频调制信号极性相反，通过第一级放大器后一倍频调制信号相减，二倍频调制信号极性相同，通过第一级放大器后相加并放大10倍，两路一级放大后的信号极性相同，通入二级反相放大电路中求和并放大2倍，二级放大后的信号通入一个陷波电路中，滤除了信号中残余的一倍频调制信号并放大有用的二倍频调制信号10倍，陷波后的信号通入带通滤波电路中，使二倍频调制信号通过并放大10倍，其他频率信号及噪声滤除，从而极大的抑制了一倍频调制信号，充分放大了二倍频调制信号，同时避免一倍频调制信号产生动态失真，实现了对二倍频调制信号的精确测量，检测分辨率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为重力梯度仪安装示意图；
[0011]图2为本发明检测电路的原理框图；
[0012]图3为本发明I/V转化电路的组成原理图；[0013]图4为本发明带通滤波电路的组成原理图；
[0014]图5为本发明陷波电路的组成原理图。
【具体实施方式】
[0015]根据重力梯度仪原理，详细介绍微弱信号工作原理及如何实现对重力梯度仪传感器输出信号中梯度信息提取。旋转加速度计式重力梯度仪结构简图如图1所示，图1中四只加表依次相隔90°安装在旋转机构圆盘上，加表敏感到的加速度信号分别流入微弱信号检测电路中，检测电路对四路加表的输入信号处理，进而得到梯度信号。如附图2所示，本发明由四个I/V转换电路、两个一级放大电路、二级放大电路、陷波电路、带通滤波电路、相敏检波电路和低通滤波电路组成，四个加速度计产生的四路电流信号分别经过四个I/V转换电路转换成四路电压信号，每组加速度计转换的两路电压信号分别经过一个一级放大电路进行放大处理用于抵消电压信号中极性反的一倍频调制信号，并将同极性的二倍频调制信号进行相加放大，二级放大电路对两个一级放大电路输出的电压信号进行相加放大，陷波电路对二级放大电路放大后的电压信号进行一倍频信号抑制再次扣除残留的一倍频调制信号，带通滤波电路对陷波电路输出的电压信号进行带通滤波，带通滤波后的电压信号通过相敏检波电路进行相敏检波后最后经过低通滤波电路滤波得到梯度张量电压信号。
[0016]具体的原理如下:重力梯度仪上安装四个加速度计，每两个加速度计构成一组，每组加速度计对称安装，本发明电路的miD四路电流输入为重力梯度仪四个加速度计传感器输出信号，信号中包括一倍频调制信号、二倍频调制信号、直流偏置信号和噪声，每路信号中各个分量的幅值相同、相位不同。四个电流输入信号通过四个ι/v转换电路后电流信号变为电压信号并放大50000倍，同时直流偏置分量被扣除；A、B路电压信号输入第一级反相放大器中，其中A、B路中的一倍频调制信号极性相反，通过第一级放大器后一倍频调制信号相减，二倍频调制信号极性相同，通过第一级放大器后相加并放大10倍。C、D路同A、B路；两路一级放大后的信号极性相同，通入二级反相放大电路中求和并放大2倍；二级放大后的信号通入一个陷波电路中，目的是滤除信号中残余的一倍频调制信号并放大有用的二倍频调制信号10倍；陷波后的信号通入带通滤波电路中，目的是使二倍频调制信号通过并放大10倍，其他频率信号及噪声滤除；带通后的信号通入相敏检波电路中，相敏检波后的信号通入低通滤波电路中，最后输出信号就为重力梯度张量信号。由于重力梯度张量只包含于二倍频正弦波调制信号中，因此本电路主要消除直流分量、一倍频正弦波分量、其他高次谐波和随机噪声，从极其微弱的二倍频信号中检测出梯度张量信号。本电路极大的抑制一倍频调制信号，放大二倍频调制信号，有效的检测出深埋在直流分量、一倍频信号分量中的二倍频信号分量。
[0017]如图3所示，I/V转换电路由反相比例放大电路、积分电路、电压跟随电路和电阻Rf组成，其中第一运算放大器A1与电阻Rf、电容C。组成反相比例放大电路实现电流信号到电压信号的转换，电阻Rf、电容C。并联后接在第一运算放大器A1的反向输入和输出端之间，第二运算放大器A2、电阻R1和电容C组成积分电路，电容C接在第二运算放大器A2的反向输入端和输出端之间，电阻R1接在第一运算放大器A1的输出端与第二运算放大器A2的反向输入端之间，第三运算放大器A3、电阻R2和电阻R3组成电压跟随器，电阻R2接在第二运算放大器4的输出端与第三运算放大器A3的反向输入端之间，电阻R3接在第三运算放大器^的反向输入端与输出端之间，第三运算放大器A3的输出端与输入电流之间接电阻Rf，第一运算放大器A1、第二运算放大器A2与第三运算放大器A3的正向输入端接地。
[0018]如图4所示，带通滤波电路由四个运算放大器A4、A5、A6、A7、8个电阻R 4、R 5、R 6、R7、R8、R9、R 1(1、R η和两个电容C 1、C 2组成，电阻R4的一端接陷波电路的输出，另一端接第四运算放大器A4的反向输入端，电阻R 5接在第四运算放大器A4的输出端和反向输入端之间，第四运算放大器A4的输出端依次接电阻R6、R7形成带通电路的输出，第六运算放大器A6的正向输入端接在电阻&、1?7之间，电阻R9接在第六运算放大器A6的反向输入端和输出端之间，电阻R8接在第五运算放大器A5的反向输入端和第六运算放大器A6的输出端之间，电阻Rltl接在第六运算放大器A6的反向输入端和第七运算放大器A7的输出端之间，电容(:2接在第五运算放大器A5的反向输入端和输出端之间，第五运算放大器A5的输出端接电阻R7的输出端，电容C1接在第七运算放大器A7的反向输入端和输出端之间，电阻R11接在第七运算放大器A7的反向输入端和第五运算放大器A5的输出端之间，运算放大器A4、A5、A7的正向输入端接地。
[0019]如图5所示，陷波电路由运算放大电路A8、电阻R12、R13、R14和带通电路组成，电阻R14接在运算放大电路A8的输出端和反向输入端之间，电阻R13与带通电路串联接在运算放大电路A8的输出端和反向输入端之间，电阻R12的一端接二级放大电路的输出，另一端接运算放大电路A8的反向输入端，运算放大电路A8的输出作为陷波电路的输出。
[0020]以下对检测电路性能具体介绍:
[0021 ] 对一倍频电流抑制能力的测量:当一倍频调制电流分量最大100 μ A时，检测电路输出电压只有直流分量，无一倍频分量值。表明检测电路有很强的抑制一倍频调制信号的能力。
[0022]对直流偏置抑制 能力的测量:当直流偏置分量最大为200 μ A时，微弱信号检测电路板输出相应电压折合到输入端的电流在IO-11A量级，表明检测电路具有很强的抑制直流分量的能力。
[0023]对噪声电流抑制能力的测量:在噪声电流最大为I μ A时,微弱信号检测电路板输出相应电压折合到输入端的电流在IO-11A量级，表明检测电路具有很强的抑制噪声能力。
[0024]对信号的检测能力:在输入电流最大为0.05nA/0.5Hz时,微弱信号检测电路输出为15mV，表明微弱信号检测电路可以检测优于0.1nA的低频电流信号。
[0025]本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
【权利要求】
1.一种用于重力梯度测量的微弱信号检测电路，重力梯度仪上安装四个加速度计，每两个加速度计构成一组，每组加速度计对称安装，其特征在于:由四个Ι/v转换电路、两个一级放大电路、二级放大电路、陷波电路、带通滤波电路、相敏检波电路和低通滤波电路组成，四个加速度计产生的四路电流信号分别经过四个Ι/v转换电路转换成四路电压信号，每组加速度计转换的两路电压信号分别经过一个一级放大电路进行放大处理用于抵消电压信号中极性反的一倍频调制信号，并将同极性的二倍频调制信号进行相加放大，二级放大电路对两个一级放大电路输出的电压信号进行相加放大，陷波电路对二级放大电路放大后的电压信号进行一倍频信号抑制再次扣除残留的一倍频调制信号，带通滤波电路对陷波电路输出的电压信号进行带通滤波，带通滤波后的电压信号通过相敏检波电路进行相敏检波后最后经过低通滤波电路滤波得到梯度张量电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于重力梯度测量的微弱信号检测电路，其特征在于:所述I/V转换电路由反相比例放大电路、积分电路、电压跟随电路和电阻Rf组成，其中第一运算放大器A1与电阻Rf、电容C。组成反相比例放大电路实现电流信号到电压信号的转换，电阻Rf、电容C。并联后接在第一运算放大器A1的反向输入和输出端之间，第二运算放大器A2,电阻R1和电容C组成积分电路，电容C接在第二运算放大器A2的反向输入端和输出端之间，电阻R1接在第一运算放大器A1的输出端与第二运算放大器A2的反向输入端之间，第三运算放大器A3、电阻R2和电阻R3组成电压跟随器，电阻R2接在第二运算放大器A2的输出端与第三运算放大器A3的反向输入端之间，电阻R3接在第三运算放大器A3的反向输入端与输出端之间，第三运算放大器A3的输出端与输入电流之间接电阻Rf，第一运算放大器Ap第二运算放大器A2与第三运算放大器A3的正向输入端接地。
3.根据权利要求1所述的一种用于重力梯度测量的微弱信号检测电路，其特征在于:所述带通滤波电路由四个运算放大器A4、A5、A6、A7、8个电阻R 4、R 5、R 6、R 7、R 8、R 9、R10> R n和两个电容C 1、C 2组成，电阻R 4的一端接陷波电路的输出，另一端接第四运算放大器A4的反向输入端，电阻R5接在第四运算放大器A4的输出端和反向输入端之间，第四运算放大器A4的输出端.依次接电阻R6、R7形成带通电路的输出，第六运算放大器A6的正向输入端接在电阻R6、R7之间，电阻R9接在第六运算放大器A6的反向输入端和输出端之间，电阻R8接在第五运算放大器A5的反向输入端和第六运算放大器A6的输出端之间，电阻Rltl接在第六运算放大器A6的反向输入端和第七运算放大器A7的输出端之间，电容C2接在第五运算放大器A5的反向输入端和输出端之间，第五运算放大器A5的输出端接电阻&的输出端，电容C1接在第七运算放大器A7的反向输入端和输出端之间，电阻R11接在第七运算放大器A7的反向输入端和第五运算放大器A5的输出端之间，运算放大器A4、A5、A7的正向输入端接地。
4.根据权利要求3所述的一种用于重力梯度测量的微弱信号检测电路，其特征在于:所述陷波电路由运算放大电路AS、电阻R12、R13、R14和权利要求3所述的带通滤波电路组成，电阻R14接在运算放大电路AS的输出端和反向输入端之间，电阻R13与带通滤波电路串联接在运算放大电路A8的输出端和反向输入端之间，电阻R12的一端接二级放大电路的输出，另一端接运算放大电路A8的反向输入端，运算放大电路A8的输出作为陷波电路的输出。
5.根据权利要求1所述的一种用于重力梯度测量的微弱信号检测电路，其特征在于:所述一级放大电路和二级放大电路均为反相放大电路。
【文档编号】G01V7/00GK103472493SQ201310403720
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】杨慧, 李海兵, 蒋苏丹, 马存尊, 郭刚, 韩军海, 马杰 申请人:北京航天控制仪器研究所