基于數字移相鎖相技術的揚聲器故障檢測

陳國平 王紅 程秋菊

摘要：該文為改善3種傳統鎖相檢測法相位差不可控的缺點，通過對互相關鎖相檢測原理的改進，提出一種新型數字移相鎖相檢測法。在核電環境長距離傳輸條件下，結合對模擬前端電路的相位誤差分析，該檢測法將兩路具有頻率固定延時的數字移相信號代替兩路正相關模擬信號，對強噪聲中的微弱信號進行相敏檢測，根據相關函數的差異性利用低通濾波器實現有用信號信息的提取。在核電廠區90dB的強噪聲環境中，對揚聲器進行故障試驗測試。結果表明：該數字移相鎖相檢測法可穩定檢測的最低信噪比為-40dB，最大檢測誤差為2.1%，可有效克服前端模擬移相誤差不可控的缺點，完成揚聲器工作狀態的檢測。

關鍵詞：數字鎖相;相位誤差;故障診斷;核電環境

中圖分類號：TM93 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0001-05

收稿日期：2018-06-10;收到修改稿日期：2018-07-12

基金項目：重慶市教委自然科學基金（KJ130507）

作者簡介：陳國平（1976-），男，重慶市人，教授，研究方向為毫米波近場成像、嵌人式系統和高性能FPGA并行計算。

0 引言

在核電產業中，廠房里安裝的廣播揚聲器警報系統長期處于強噪聲高溫度的環境。針對揚聲器聲響工作狀態的監測需求，需研發一種能主動、高效檢測揚聲器工作狀態的技術，代替目前的人工巡檢，增強設備智能化。在強噪聲環境下，傳統的微弱信號檢測方法有3種。

單通道相關檢測法[1]最大的缺點是待測混合信號需經預處理電路濾除大部分噪聲才能保證檢測信噪比足夠高，而這將導致待測信號的相位產生不可避免的隨機變化，使參考信號與待測信號進行鎖相運算后的相位差不完全等于移相電路產生的固定相移，進而形成檢測誤差。正交矢量雙相鎖相檢測法[2-3]能有效避免模擬移相電路本身引入的相位誤差，相比于單通道相關檢測法，能有效提高檢測精度。但在實際應用中，由于檢測端信號處理電路引起的隨機相移仍不能消除，導致相位檢測結果仍存在一定誤差。多級相關鎖相檢測法的隨機相移誤差則是由運放構成的三級信號放大器帶來的[4]，電路的復雜度和成本也會大大增加。

上述3種微弱信號檢測法在處理待測信號時，均忽略不計模擬前端信號調理電路產生的隨機相移誤差，僅計算相關運算的相位差[5]，在一般場景和待測信號信噪比要求不高的條件下能滿足檢測要求，但不能滿足核電環境中廣播揚聲器的狀態檢測要求。由于揚聲器是無源的，需外施激勵信號使其發聲，通過檢測揚聲器的聲響信號判斷其工作狀態。而激勵信號需由功率放大器擴大后經不定長度的音頻傳輸線到達揚聲器終端，隨即淹沒在核電廠房的強環境噪聲中，這將使得該待測微弱信號送入鎖相電路前相位未知且不可控，檢測結果存在較大的誤差。因此本文首先模擬長距離下前端電路產生的相位誤差進行分析，提出一種可控相位的新型數字鎖相檢測法，進行硬件仿真分析和實際核電環境下的廣播揚聲器狀態實物測試分析。

1 相位誤差分析

設揚聲器激勵信號為、（t），經過功率放大器和長距離音頻線傳輸后會產生隨機相移△δ₁，得到激勵信號s₁（t）.待測微弱信號和噪聲混合信號經過系統模擬前端電路后會產生隨機相移△δ₂，得到待測混合信號s₂（t）。本地參考信號經固定移相電路產生相位移動φ后得到信號v_ref（t）。將s₂（t）和v_ref（t）兩路信號相敏檢波運算后由低通濾波器輸出直流量V_out如下式所示：

其中A為待測信號幅值，B為參考信號幅值。實際應用中參考信號和待測微弱信號的相位差為△φ，其中已知兩者初相φ₁、φ₂和移相電路的固定相移φ，而△δ₁和△δ₂是檢測系統的隨機相移，即檢測的相位誤差。圖1是對揚聲器系統產生的隨機相移進行實物分析結果圖。

使用1kHz激勵信號由功放饋入1km音頻傳輸線至揚聲器，圖1中藍色波形為功放輸入的峰峰值為200mV的正弦波，紅色波形為揚聲器終端處收到的峰峰值為3.3 V的正弦波。根據圖1中△X的測量信息有：

因此，在實際應用場景中，主動激勵信號需經過功放和傳輸線才能到達揚聲器，不可避免地產生相移△δ₁，以上測試驗證了功放和傳輸線上隨機相移的存在。

為了提高信噪比和檢測精度，傳統的微弱信號相關檢測法都在相敏檢波前對混合信號進行了必要的窄帶濾波和放大等模擬前端預處理[6]。圖2即為對這些模擬電路的測試結果，其中藍色波形為模擬頻率1kHz、峰峰值500mV的待測信號，經過預處理電路后的波形為紅色波形。根據圖2中△方{測量信息，相位誤差如下：

故這些模擬電路引入的隨機相移△δ₂很難避免。

在本文核電領域揚聲器狀態檢測研究的背景下，由于△δ₁和△δ₂的隨機性，式（2）中的相位差|△φ|可能為2π內的任意值，而當|△φ|=π/2時，V_out=0，此時則無法檢測出揚聲器不發聲的情況。而傳統的3種檢測法均為理想情況下，忽略系統相移誤差△δ₁和△δ₂，因此不適用于本文的應用環境。

2 移相鎖相檢測法

2.1 移相鎖相檢測原理

由前文的分析可知，在核電領域揚聲器狀態檢測中，需要通過鎖相檢測的直流輸出值來判斷揚聲器狀態，使用傳統的鎖相檢測法In可能出現檢測結果誤判的情況。故本文提出了一種基于互相關鎖相檢測原理改進的數字移相鎖相檢測法，僅利用單片機即可實現參考信號的產生和數字移相，避免隨機移相誤差。具體結構單元如圖3所示。

該結構分為激勵單元、微弱信號采集單元、前端信號處理單元和鎖相檢測單元。激勵單元由單片機和功率放大器組成，單片機產生固定頻率1kHz的正弦激勵信號，經功率放大器饋送至遠端揚聲器，激勵信號隨即被最高聲強90dB的核電廠房環境噪聲淹沒，成為系統的待測微弱信號，此時混合信號的最低信噪比由功放增益決定。前端信號處理單元包含預放大電路和窄帶濾波器，混合信號經過預放大電路調理后由中心頻率和激勵信號同頻的窄帶濾波器濾除帶外大部分噪聲信號，得到一路相關檢測信號[8]。鎖相檢測單元是該檢測法的核心結構，由單片機直接產生一個單極性正弦信號，該信號具有和待測微弱信號相同的頻率（1kHz），且保持每個正弦周期的相位比前一周期滯后，即每16個連續的正弦周期共滯后2π，再利用電平平移電路將其轉換成雙極性信號作為參考信號送入模擬乘法器進行相關運算，低通濾波器將相關運算結果中的直流分量濾出即可被ADC模塊采集并利用單片機對其進行處理分析。

2.2 硬件仿真

窄帶濾波[9]可到達從背景噪聲中分離有用信號的目的，因此為了提高鎖相檢測精度，獲得較低信噪比信號檢測性能，本系統加入了1kHz窄帶濾波電路。設計目標中心頻率為1kHz，且為了便于計算，取C₁=C₂=10nF，中心頻率由R₁1與R₂的并聯值及R₃、C共同決定，通帶增益和R₂無關。當取R₃=2R₁=25kΩ，R₂=1kΩ≤R₁時，有則有f₀=ω₀/2π=1kHz，中心頻率增益A（ω₀）=-1，品質因數Q=7.9。其頻率響應曲線如圖4所示。

從圖4（a）中可以看到該濾波器的中心頻率為1kHz，通帶增益約為0dB，該結果和上述理論分析相符;由圖4（b）可知，該濾波器的上、下-3dB截止頻率分別為1.0678kHz和941.617Hz，-3dB帶寬126Hz。

相關運算模塊選用模擬乘法器AD633作為鎖相運算單元[10-11]，其輸出形式為

將一個幅度為1V、頻率為1kHz的正弦信號同時輸入到X差分輸入端IN_1和Y差分輸入端IN_2，兩者相關運算的相位差為0，可得乘法器輸出波形如圖5所示。當調整輸入信號的相位差為90°時，獲得最小直流分量為0，即輸出僅含有倍頻信號，其仿真輸出波形如圖6所示。

圖5和圖6中的輸出倍頻信號峰峰值近似為100mV，最大輸出直流分量為50mV，符合式（5）的鎖相電路傳遞函數，驗證了該設計的正確性。

在對低通濾波器[12]進行設計時，為了得到極低的截止頻率點，最大程度濾除二倍頻和噪聲信號，設R₁=R₂=30kΩ，C₁=C₂=0.1μF，則特征頻率f₀=53Hz，通帶增益A（ω₀）=2，品質因數Q=1。其頻率響應曲線如圖7所示。從圖中知該低通濾波器通帶截止頻率約53Hz，通帶增益為6dB，-3dB上限截止頻率約95Hz。

3 實驗分析

3.1 信噪比測試

為了模擬揚聲器正常工作時，不同信噪比的檢測結果，保持最大噪聲強度4.2V，不斷改變輸入激勵信號強度進行測試。檢測模塊實物如圖8所示，揚聲器聲響采集結果如圖9所示。從圖9中觀察可得，-40dB時波形保持穩定，-43dB時波形有明顯劣化失真。同時，模塊輸出最大直流值隨著信噪比降低而降低，-43dB時最大值35與表1中純噪聲檢測值接近，故最低可穩定檢測信噪比為-40dB。

表1為輸入純噪聲，即無激勵信號測試時鎖相檢測模塊ADC采集的直流信號最大值，以此模擬揚聲器未正常工作的檢測情況。由表可知，僅噪聲輸入時輸出采樣最大值隨噪聲強度下降而減小，最大值為30。由圖10可知，由于噪聲信號和參考信號不相關，故鎖相檢測模塊輸出信號波形不再是呈正弦的緩變直流值。因此，從實驗結果可以看出，無激勵信號時無論ADC采樣值繪圖、最大值與存在激勵信號時（-40dB及以上）的檢測結果有較大區別度。

3.2 相移誤差驗證

上述測試標定了模擬最大噪聲聲強為90dB條件下，本文研究的數字移相鎖相檢測模塊最低可穩定檢測信噪比為-40dB。因此，采用本文方法對某核電廠區的揚聲器工作狀態進行了實際測試，圖11分別為本系統取-13dB應用時，激勵信號和最大噪聲同時存在、無噪聲信號輸入和純噪聲信號輸入條件下的實測結果。

低通濾波器輸出波形如圖11（a）所示。該正弦變化信號的每個周期實際是由16個緩變直流點構成，每個鎖相運算周期（1ms）獲得一個直流值，故此信號周期為16ms，即頻率為62Hz。由于本設計中的低通濾波器具有兩倍增益，故由圖中波形信息可知實際最大直流值約為342.5mV，而理論計算值為V=AB/20=350mV，最大檢測誤差僅為2.1%，有效地克服了前端模擬移相誤差不可控的缺點。

在本系統中，為了檢測揚聲器是否正常工作，僅需分析有無激勵信號時鎖相檢測的直流輸出情況即可。當僅存在環境噪聲時，理論上無直流輸出（如圖11（c）所示）;若鎖相檢測模塊輸入信號信噪比足夠高，其輸出最大直流值與理論值的誤差不會影響揚聲器工作狀態的判斷結果。對比圖11（a），圖11（b）可知，實際應用時強噪聲信號的干擾會使鎖相檢測輸出波形的峰峰值減小，對應最大直流值減小，并產生毛刺。但其正弦波形非常完整，依然能通過其輸出最大值與預設閾值的對比結果區分純噪聲輸入時（模擬揚聲器未正常工作狀態）的檢測結果，并具有較高的靈敏度，從而精確穩定地判斷揚聲器工作狀態。

4 結束語

本文所研究的新型數字移相鎖相檢測法采用連續數字移相參考信號，使鎖相檢測過程最大程度遍歷各個相位差，避免了隨機相移導致的應用局限，實現了核電領域環境中的微弱信號高精度檢測。同時利用主動激勵信號使揚聲器發聲，通過檢測揚聲器是否正常發聲判斷其狀態情況，應用時不需要完全恢復待測激勵信號，僅分離和提取激勵信號信息從而判斷檢測結果，實現了揚聲器工作狀態的精準監測。

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（編輯：劉楊）