基于DDS的微弱信號提取裝置的研究

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(1.成都學院工業制造學院，四川 成都 610106；2.電子科技大學電子工程學院，四川 成都 611731)

基于DDS的微弱信號提取裝置的研究

程子揚1,2，程躍1，趙悅1，莫莉1

(1.成都學院工業制造學院，四川 成都 610106；2.電子科技大學電子工程學院，四川 成都 611731)

0 引言

在通訊、圖像處理、機械結構損傷分析及故障診斷等一些應用場合，需要提取出被噪聲淹沒的微弱信號。目前，微弱信號檢測方法主要集中于2個方面：一是利用現代信號處理方法對噪聲進行抑制和消除[1-2]，這類方法當噪聲頻率和信號頻率接近時，不可避免地會損傷到有用信號;二是利用非線性系統理論和智能算法對微弱信號進行檢測[3],這類方法理論先進,但在硬件實現上難度高且成本高昂。隨著數字電子技術的發展和高性能芯片的推出，使開發性能好，成本低廉的微弱信號提取裝置成為可能。直接數字式頻率合成器DDS(direct digital synthesizer)是從相位出發直接合成所需波形的一種頻率合成器，與傳統的頻率合成器相比，具有低成本、低功耗、高分辨率和轉換時間快等優點。因此,有必要研究通過直接數字頻率合成技術，實現對微弱信號提取的方法。

1 系統總體方案設計

系統包括信號檢測部分和信號提取部分。檢測部分由帶通濾波器和鎖相放大器組成。提取部分由信號合成芯片和壓控放大器組成，實現對被測信號的跟蹤。系統設計總體結構如圖1所示。

圖1 系統組成

2 正交矢量鎖定放大器工作原理

正交矢量鎖相放大器是在常用鎖相放大器的結構上演變而來。它包括信號通道、參考通道、相敏檢測器(PSD)和低通濾波器(LPF)[4-5]。

輸入信號為被噪聲淹沒的被測信號，信號通道對含有噪聲的被測信號做適當的放大和初步的濾波處理，以濾除部分噪聲。參考信號一般選用與被測信號頻率相同的周期信號，參考信道對參考信號做適當的修整和移相，以得到最佳的輸出量。相敏檢測器是鎖相放大器的核心部件，其輸出量取決于被測信號與參考信號的相位差。設計采用的是ADI公司的平衡調制解調器AD630，該器件屬于電子開關式，相當于參考信號為方波情況下的模擬乘法器，其推導過程如下[6]。

相位檢測器輸出為：

up(t)=r(t)×x(t)

(1)

設被測信號與參考信號的相位差為θ，噪聲信號為n(t)，即

x(t)=Vxcos(ω0t+θ)+n(t)

(2)

參考輸入r(t)是幅度為±Vr的方波，周期為T，角頻率wo=2π/T，用傅里葉級數展開：

(3)

a0為直流分量；am為余弦分量的傅里葉系數；bm為正弦分量的傅里葉系數。

則相位檢測器的輸出為：

(4)

根據上述原理，雖然可以得到包含有被測信號幅值信息的輸出量u0(t)，但是參考信號與被測信號的相位差θ是未知的，故也不能確定被測信號的幅值。在上述理論基礎上，將基本鎖相放大器的結構改進為正交矢量鎖相放大器結構，如圖2所示。

圖2 正交矢量鎖相放大器結構

在圖2中,相敏檢測器的參考信號相位相差90°，根據上述推導方法，可以得出輸出分別為：

I=Vscosθ

(5)

Q=Vssinθ

(6)

則被測信號的幅值和相位為：

(7)

θ=arctan(Q/I)

(8)

3 硬件電路設計

3.1 鎖相放大器電路設計

鎖相放大器是信號檢測部分的核心，設計采用2片AD630實現了一種簡單的正交矢量鎖相放大器，其電氣連接如圖3所示。

圖3 正交矢量鎖相放大器電氣連接

由比較器COMP控制開關S選通放大器A或B[7]，片內電阻均為高穩定度的SiCr薄膜電阻，保證了其在檢測中的精度和穩定性。設計中需保持2路增益放大器嚴格的1∶1匹配關系。

當被測信號與參考信號同頻、同相時，AD630輸出端的低通濾波器的輸出具有最大值。當被測信號與參考信號頻率相同但是相位相差90°時,低通濾波器輸出為0。如果2路參考信號正交，那么低通濾波器輸出的2路信號也是正交的，分別設為Vout0，Vout90。即可得到被測信號的幅值和相位為：

(9)

(10)

由于參考電壓的穩定性直接決定了測量精度，設計采用ADI公司的集成DDS芯片AD9851產生其中一路的參考信號。另一路相位差為90°的方波通過積分電路得到三角波，再通過AD630內部自帶的比較器得到相位差為90°的方波信號。

3.2 低通濾波器電路設計

鎖相放大器后續低通濾波器的截止頻率直接影響了鎖相放大器輸出信號的信噪比。其截止頻率越低，輸出信號信噪比越高。此處設計二階有源低通濾波器，其截止頻率為1Hz。該濾波器很好地濾除了鎖相放大器中的等效噪聲。

3.3 直流放大器設計

為提高系統的測量精度，在鎖相放大器輸出端加上直流放大器。采用TI公司的程控放大器PGA202。PGA202通過2個控制線可以設置4個放大擋位，根據不同范圍的幅值，設置不同的放大倍數，這樣使系統設計更加靈活，測量精度進一步提高。其擋位分配如表1所示。

表1 PGA202放大擋位分配

3.4 信號合成電路設計

設計采用DDS來達到間接提取微弱信號的目的。選用DDS專用集成芯片AD9851。AD9851采用高速DDS內核，可接收32位控制字，5位相位控制字，在180MHz的時鐘系統下，輸出頻率分辨率可達到0.04 Hz，相位增量為11.25°。AD9851控制方式分串行和并行，為了節省I/O，采用串行控制方式，其電路連接如圖4所示。

圖4 AD9851的電氣連接

圖4中,R8為內部DAC的參考電阻RSET，DAC輸出電流的大小和RSET的值為：

Iout=39.93/RSET

(11)

RSET=39.93/Iout

(12)

設計中取RSET=3.9 kΩ，則Iout=10.2mA。

L1，L2周圍的電阻、電容構成七階橢圓低通濾波器，截止頻率為60MHz，用以濾除1/2Fi以上的諧波成分，使輸出波形更加干凈。通過調節VR1使輸出正弦波的幅值范圍在0～1V之間，然后通過后續的隔直電路，使輸出得到500mV的正弦波。

3.5 幅值跟蹤電路設計

由鎖相放大器檢測出被測信號的幅值大小，然后通過TI公司的壓控放大器VCA810來實現增益控制,以達到幅值跟蹤的目的。VCA810的控制電壓Vc范圍為-2～0V，控制電壓與放大增益的關系為：

G(dB)=-40×(Vc+1)(dB)

(13)

控制電壓由16位DAC 芯片TLV5616提供，通過一個反相放大器變為負電壓。程序中的操作函數變為：

G(dB)=40×(Vc-1)

(14)

所以有：

(15)

(16)

4 軟件設計

系統采用TI公司MSP430F5529作為主控制器,在CCS5.2編譯器上通過C語言完成了對AD9851，TLV5616，ADS1115，LCD102×64以及按鍵等模塊的驅動和軟件開發，為實現良好的操控性能，設計了友好的人機交互界面。軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程

5 測試結果分析

在裝置軟硬件調試完成后,進行了系統測試與分析。被測信號由專用函數發生器提供，在5 V的噪聲背景下分別對不同頻率、不同幅值的被測信號做了實驗，用雙蹤示波器觀測被測信號與還原出的信號。測試結果如表2所示。

從測試結果可以看出,輸出信號頻率與被測信號頻率相對誤差在0.02%以下，輸出信號的幅值誤差隨被測信號幅值的減小而增加，由于信號很小時容易受到環境噪聲的干擾，所以在信號幅度很小時相對誤差較大，但都在10%以內。輸出信號與被測信號的相位差主要取決于AD9851的相位分辨率，而AD9851的相位增量為11.25°。

表2 測試結果

6 結束語

利用DDS技術,設計了微弱信號提取裝置，以正交矢量鎖相放大器實現對大噪聲下微弱信號的檢測，在得到被測信號的幅值、頻率和相位特性后，通過DDS和壓控放大器實現對被測信號的提取。測試結果表明，系統可以提取出信噪比低于10-3的微弱信號，具有較高的精度和穩定性，對于大噪聲背景下微弱信號的提取具有良好的工程實用價值。

[1] Mallat S,Hwang W L.Singularity detection and processing with wavelets[J].IEEE Transactions on Information Theory,1992,38(2):617-643.

[2] Haykin S,Li X B.Detection of signal in chaos[J].Proceeding of IEEE，1995,83(1):94-122.

[3] 鄧宏貴,曹文暉，楊兵初，等.基于混沌理論和小波變換的微弱周期信號檢測方法[J].中南大學學報(自然科學版),2012,43(5):1773-1779.

[4] 高晉占.微弱信號檢測[M].北京:清華大學出版社,2009.

[5] 趙 磊.煤礦瓦斯光纖傳感檢測儀的研制[D].武漢:武漢理工大學,2009.

[6] 王宜昶.基于UHF的新型GIS局放傳感器設計[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[7] 朱曉莉,厲 霞.基于AD630的雙相鎖相放大器設計[J].機電工程技術,2012,41(6):19-23.

Research of Weak Signal Extraction Device Based on DDS

CHENGZi-yang1,2，CHENGYue1，ZHAOYue1，MOLi1

(1.School of Industrial Manufacturing,Chengdu University,Chengdu 610106,China;2.School of Electronic Engineering,University Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)

為提取強噪聲背景下的微弱信號，設計以MSP430F5529為主控制器的微弱信號提取裝置。在利用正交矢量鎖定放大器原理的基礎之上，通過直接數字式頻率合成器和壓控放大器來實現對被測信號的跟蹤，以達到對微弱信號提取的目的。

正交矢量；鎖定放大器；直接數字式頻率合成器；壓控放大器

For weak signal extraction from strong noise background,the weak signal extraction device is designed with MSP430F5529 as the main controller.The design is based on the principle of orthogonal vector lock-in amplifier,through direct digital frequency synthesizer and voltage controlled amplifier to track the measured signal, in order to achieve the purpose of weak signal extraction.

orthogonal vector;lock-in amplifier;DDS;voltage controlled amplifier

2013-12-23

四川省高等教育質量工程大學生創新實驗項目(33313)；成都學院校基金重點項目(2012XJZ03)

TN74

A

1001-2257(2014)06-0018-04

程子揚(1990-)，男，湖北應城人，碩士研究生，研究方向為信號分析與處理;程躍(1981-)，男，重慶人，博士，講師，研究方向為機電系統智能控制、機械結構可靠性分析及優化。