专利名称：加权门积分组微弱信号相关检测电路和应用的制作方法
技术领域：
本发明电路涉及微弱信号相关检测电路和应用，即相关检测器，可以用来检测相关信号、鉴相、矢量电压测量、同步信号提取等方面都可以有很好的应用。
背景技术：
相关器、同步积分和门积分等电路在微弱信号检测的应用与研究已经比较成熟。近些年来信号相关检测技术研究主要集中在数字信号处理领域，但是对于淹没在噪声中的微弱信号而言有时不能适合。为了适应较大噪声幅度，信号经过模数转换后可能会牺牲了太多的有效位，而转换精度较高的A/D一般采样速率不高，也会带来精度问题。微弱信号模拟相关检测技术发展到今天已经有比较成熟的产品，但是实际使用中发现对于某些场合使用现有产品并不一定能取得最佳效果，而通过改进能经一步提高系统性能，由此设计了一种加权门积分组相关检测电路。
信号检测中先验性问题从本质上说，我们之所以能从噪声中提取所需的信号是因为信号对于我们来说存在有先验性，也就是说我们事先就知道了信号的某些特征。这些特征可以是频率范围，可以是相位参数，或者是幅度特征等等。相关检测与其他检测方法一样也是基于对信号的先验性，相关器、同步积分、门积分等电路都是需要先获取被测信号的同步脉冲，同步脉冲就包含对被测信号的频率和相位特征信息认识。如同我们从人群中认出我们的亲友一样，事先获得的对他的认识越多越有利于我们的判断。这也是目前众多信号处理、模式识别等领域研究的热点。
基本门积分电路基本门积分电路如图1所示，被测信号Vs与噪声通过场效应管开关和电阻R对电容C充电积分，如果控制开关处于常闭状态(假设开关为理想状态)该电路就是一个一阶阻容低通滤波器。实际电路开关受控于输入信号的相干矩形波，相干信号的矩形波与被测信号同频同相，脉宽T，周期T。该信号被定义为门脉冲，设其为脉冲幅度为单位信号，由傅立叶展开可以表述为下面表达式f0=ϵ+2πΣn=1∞1nsinnπϵcosnωRt]]>
其中ε＝τ/T，为相对门宽，ωR为门脉冲的角频率。如果场效应管开关为理想状态，即导通时电阻为零，开路时为无穷大，那么其与电阻R串连后等效电阻可以表示为Re＝R/f0。这样，基本门积分电路就可以看作为由等效电阻Re和电容C组成的阻容滤波器。由傅立叶变换可以知道当门脉冲宽度τ变窄，其谐波分量的相对幅度增加并接近等幅，这时可恢复信号基波和各次谐波。但带来的问题是等效时间常数增加，信号输出幅度减小。因此，门积分更多地被用来作信号恢复，它是取样积分器(BOXCAR)和多点信号平均器的核心。当然，如果相干信号为单位方波，即ε＝0.5时，基本门积分电路也就成为相关检测中的相关器。
发明内容
本发明的目的是提出一种加权门积分组微弱信号相关检测电路，对运算放大器连接的门积分电路进行改进，通过改进能经一步提高系统性能，消除谐波干扰，降低噪声。提高了测量精度。
本发明设计的一种加权门积分组相关检测电路包括运算放大器的门积分电路，且在门积分电路积分输入端与信号之间设有二个以上的并联的权值电阻(R1，2R1，4R1，8R1)，对充电电流进行线性叠加运算，每只权值电阻设有开关管控制其通断，多个权值电阻可以组合输出各台阶权值，称为合成权值。为了便于加权和进行参数分离计算，可以采用运放接法(如图2所示)。
本发明的特点是本发明的设计是基于这样一种假设如果在检测前我们不仅了解信号的频率相位特征而且知道信号的波形特征，那么就可以利用这个认识获取更佳的检测手段。本发明的优点概括起来就是消除了谐波干扰，降低了噪声。提高了测量精度，虽然速度略有降低。在具体仪器上包括法拉第效应测试仪、振动样品磁强计、电感电容测量仪等。
图1为基本门积分电路。
图2为图1基本门积分电路的变形，门积分电路的运放接法图3为加权门积分组电路，图4正弦波十权值逼进波形，，图5为图4与方波的谐波分量的比较
具体实施例方式
如图2所示图中接法虽然改变，但是电路的基本特性没有变换。电路中除了积分电阻电容以外增加了运放和加权电阻R1，改变R1的大小可以改变场效应开关导通时充电电流的大小，故此被称为加权电阻。尤其是提出一种加权门积分组图3所示的运算放大器可以对积分电路充电电流进行线性叠加运算，设计四个权值电阻R1，2R1，4R1，8R1.由于运放电路实际是线性地加法器连接，所以由四个权值电阻可以组合输出16值台阶权值，称为合成权值。
当然如果速度允许可以选取更多权值电阻进行更精确地波形合成，但是通常为了保持较快的响应速度不宜采用过多权值。
权值控制权值的控制端G1，G2，G3，G4，控制方法类似于数模转换器，需要根据信号波形幅度给出控制权值。如果对逼进的输出采用最小二乘法进行拟合可以近似得到原信号波形。对已知信号进行这种逼进是不难做到的。
图4是10段，步长为0.1正弦波拟合波形的例子。假设波形函数为f(t)，反函数f-1(t)，步长为s，需要计算的量是f-1(ns)与f-1((n+1)s)的跳变点，n为大于零小于最多步长数的整数，即ns小于等于波形峰值。假设跳变点为xn则有∫f-1(ns)f-1((n+1)s)f(t)dt=ns(xn-f-1(ns))+(n+1)s(f-1((n+1)s)-xn)]]>当然这样的计算可以先在计算机中完成，得到信号的控制时间序列。控制序列的发出可以由单片机，DSP或者组合逻辑电路，重要的是根据信号特性在逼进精度和开关动作速度之间作作出选择。
积分部分电路的积分部分和基本同步积分一样，时间常数由电阻R和电容C决定，不同的是由于采用了上述的波形相关方法，大大抑止了谐波的干扰，同样的时间常数将取得更佳的滤波效果，使得检测获得更快的相应速度。
性能分析与比较利用MATLAB作图4逼进波形与方波的谐波分量的比较，如图5所示。结果表明仅采用10权值分割的波形对谐波尤其是低次谐波被有效抑制，3次谐波减小到方波的近1/100。我们知道相关器的传输函数可以看作是参考信号的匹配滤波器，改进的参考信号频率特性明显抑制了谐波的干扰，同时等效噪声带宽变窄对各次谐波点附近的噪声信号也有同样的抑制。由于低通滤波器的截至特性限制，频率接近低次谐波的干扰不容易克服，而该电路可以将它在相关器中直接抑制。对于非正弦周期信号可以看作多正弦信号的线性叠加，因此以上分析仍是适用的。
微弱信号检测中有锁定放大器对输入信号成纯正弦响应的例子，有的是对输入信号采用窄带滤波抑制信号中的谐波成分，缺点是不能跟踪信号频率的变化。模拟乘法器的线性与动态范围存在问题，所以不被采用。也有采用时分隔乘法的例子，它的缺点是脉冲载波和乘法器的频率响应受到限制。
本发明应用实例在磁测量中常用到的振动样品磁强计，在磁场中以正弦轨迹振动的样品在感应线圈中产生正弦感应电压信号，由于振动杆谐振或横行振动会产生不稳定的谐波测量，采用正弦逼进的组合门积分相关电路可以克服这种谐波的干扰，获得稳定准确的测量结果。
另外一个例子是我们设计的法拉第效应测试仪。偏振光经由正弦调制变成偏振角在基点左右作正弦振荡的偏振光，检偏输出信号是个脉动信号，当然也适合本设计电路。
权利要求
1.加权门积分组微弱信号相关检测电路，其特征是采用运算放大器对门积分电路充电电流进行线性叠加运算，且在门积分电路设计二个以上的权值电阻(R1，2R1，4R1，8R1)，多个权值电阻可以组合输出各台阶权值，称为合成权值。
2.由权利要求1所述的加权门积分组微弱信号相关检测电路，其特征是门积分电路权值的门控制端G1，G2，G3，G4，根据信号波形幅度给出控制权值。
3.由权利要求1所述的加权门积分组微弱信号相关检测电路，其特征是门积分电路设计四个权值电阻(R1，2R1，4R1，8R1)，四只电阻分别是基值电阻的1、2、4、8倍。
4.由权利要求1所述的加权门积分组微弱信号相关检测电路，其特征是门积分电路权值的门控制端控制的控制时间序列由单片机，DSP或者组合逻辑电路给出，根据信号特性在逼进精度和开关动作速度之间作作出选择。
5.由权利要求1所述的加权门积分组微弱信号相关检测电路的应用，其特征是需要对齐信号与参考的相位，而纯正弦参考是可以利用两路正交信号相参测量，两路输出送计算机进行合成计算可以消除相位误差影响。
全文摘要
加权门积分组微弱信号相关检测电路及应用，采用运算放大器对门积分电路充电电流进行线性叠加运算，且在门积分电路设计二个以上的权值电阻(R1，2R1，4R1，8R1)，多个权值电阻可以组合输出各台阶权值，称为合成权值。本发明的设计是基于这样一种假设如果在检测前我们不仅了解信号的频率相位特征而且知道信号的波形特征，那么就可以利用这个认识获取更佳的检测手段。本发明消除了谐波干扰，降低了噪声。提高了测量精度，虽然速度略有降低。在具体仪器上包括法拉第效应测试仪、振动样品磁强计、电感电容测量仪等。
文档编号H03K5/00GK1493879SQ03152879
公开日2004年5月5日 申请日期2003年8月29日 优先权日2003年8月29日
发明者刘先昆, 潘红兵, 纪圣谋, 张骏, 徐健健 申请人:南京大学