一種矢量信號檢測電路設計

叢森 孟兆新

【摘要】根據同頻相關原理設計了一種矢量信號檢測電路，該電路用模擬電路和數字電路實現了被測正弦信號與同頻正弦、余弦函數間的互相關，能夠檢測出和基準信號同頻的信號振幅和相位，并給出了實驗測試結果。

【關鍵詞】相關分析;矢量檢測;濾波器

Abstract：Based on the correlation analysis，a kind of detect circuit is designed.The circuit realizes the measurement of the sine signal with the same frequency of the basis signal.It can measure the amplitude and phase of the signall.The experiment test results has been given in the paper.

Keywords：correlation analysis;the vector detect;filter

工程中要測試的信號中往往含有各種干擾，采用了基于硬件相關技術濾除干擾和檢測與基準信號同頻的信號的幅值及相位信息。本文提出的基于硬件相關的矢量檢測方法中，測量設備為數字集成電路，測試精度高，使用方便。這種方法可以用于從噪聲背景下提取有用的正弦信號，也可以用于動平衡測試和機械裝置頻響函數的測試，相對于其他的檢測方法，這種方法它的特點是使用方便，檢測數據快速、準確、穩定。

圖1 同頻相關電路原理框圖

圖2 信號相關器原理圖

圖3 二階低通濾波器原理圖

1.同頻相關電路原理

設計同頻相關電路的基本原理是基于相關分析原理，即互相關函數同頻相關，不同頻不相關[2]。利用這種性質來消除掉信號中的干擾，提取有用的信息。

設x（t）表示所測信號，其函數表達式是，使其分別與同頻余弦信號和同頻正弦信號互相關，經整周期積分平均后（低通濾波處理），互相關函數中的都會被濾掉，這樣就只剩和這兩個常量，令：，通過求解：，便可求出信號x（t）的相角和幅值A。

2.同頻相關電路設計

用模擬電路和數字電路實現同頻相關電路原理框圖如圖1所示。

2.1 信號倍頻器

設基準信號的頻率為f0，信號倍頻器將基準信號的頻率f0倍頻成為f0，2f0，4f0，8f0，16f0，32f0和64f0這7個頻率，其中信號頻率分別為f0，2f0，4f0，8f0，16f0，32f0這六路信號經電平轉換器轉換后送到余弦信號發生器和正弦信號發生器，作為存儲器尋址信號，使存儲器發出余弦數字信號和正弦數字信號。頻率為64f0的信號也經電平轉換器轉換后送到單穩觸發器，產生窄脈沖信號，作為D/A轉換器的鎖存信號。

2.2 正、余弦信號發生器

正、余弦信號發生器各由一片只讀存儲器UVEPROM組成，選用芯片型號為Intel 2764。把正、余弦信號在一個周期內均分成64份，則每份的角度=360o/64=5.625o，然后通過式（1）和式（2）：

（1）

（2）

計算出正弦信號和余弦信號在這64個點的值，分別轉換成二進制數后用編程器從首位存儲單元開始依次順序寫入到2764中。經電平轉換后的頻率分別為f0，2f0，4f0，8f0，16f0，32f0的六路信號與2764的A5，A4，A3，A2，A1，A06條地址線相連接，這樣各頻率信號依次尋址使存儲器中儲存的數據依次放出，從而產生模擬的正弦數字信號和余弦數字信號。

2.3 信號相關器

信號相關器是本電路實現數學相關運算的核心，它是一個性能優良、結構簡單的信號相關器，它有一片D/A轉換器DAC0832和一片型號為CA3140的運算放大器組成，工作原理如圖2所示。

圖2中VREF為D/A轉換器的參考電壓，由x（t）的有效值確定，窄脈沖信號作為D/A轉換器的鎖存信號，鎖存由信號發生器送來的數據，使其與x（t）相乘，實現數學相關[3]。由于DAC0832是8位的D/A轉換器，由公式（3）：

（3）

可得輸出電壓VOUT與輸入數字量的關系式為：

（4）

通過式（4）可實現數學相關表達式，表示式為式（5）和式（6）：

（5）

（6）

從式（5）和式（6）可看出相關函數中包含有與基準信號同頻的信號x（t）的幅值A和，從而實現矢量的檢測。

2.4 濾波器

在電路中所設計的濾波器為二階有源低通濾波器，它能有效地濾掉噪聲和抑制無用的信號，使一定頻率范圍內的信號順利通過[4]，其工作原理如圖3所示。

3.實驗結果

為了驗證在不同幅值和不同頻率下的工作性能，進行如下兩項實驗。其一當基準信號頻率f保持不變時，檢測現場信號x（t）的有效值V與其幅值A成線性變化，和其相角保持性。實驗結果為：在變化過程中，最大角度誤差小于0.2o。

其二，當現場信號x（t）的有效值V保持不變時，改變基準信號的頻率，檢測幅值和相角的變化。結果表明x（t）的幅值A變化的最大誤差度為3%，相角誤差小于2o。該電路可檢測頻率范圍為1Hz～300Hz、幅值范圍為0.01V～6.99V的待測信號。

參考文獻

[1]貝達特.皮索爾.相關分析和譜分析的工程應用[M].北京：國防工業出版社，1993.

[2]黃長藝，嚴普強.機械工程測試技術基礎[M].北京：機械工業出版社，1995.

[3]胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京：清華大學出版社，2003.

[4]秦曾煌.電工學（電子技術）[M].北京：高等教育出版社，1999.