微弱信号检测与锁定放大电路

田正武 熊俊俏 裴建华 林鹤鸣 刘 泽

(武汉工程大学电气信息学院，武汉 430205)

从强噪声背景下提取并检测微弱信号，在无线通信、传感器及机械设备检测等领域应用广泛[1，2]，具体的检测方法也从传统的相关检测、频谱分析发展到小波分析、神经网络、混沌振子、高阶统计量及随机共振等[3，4]。由于微弱特征信号(如有周期信号、脉冲信号、冲击信号及非周期信号等)和噪声(如白噪声、高斯噪声及窄带噪声等)的种类较多，不同特性的信号和噪声的混合造成待测信号较为复杂，通常根据噪声特征和微弱信号的特点选择合适的检测方法。

互相关检测方法是根据接收信号的频率，在接收端产生与待测信号频率相同的参考信号，将参考信号与混有噪声的被检测信号进行相关处理，利用信号与噪声的不同的相关特性提取信号。在互相关检测方法中，需要了解被检信号的频率，确定参考信号的频率，并调整参考信号的相位，使互相关值最大。传统的互相关检测方法，往往假定被检测信号的频率，参考信号采用方波进行互相关[5]，而在理论分析时，将方波分解为基波和谐波，通过滤波滤除谐波成分的影响，因此传统的互相关检测存在一定的缺陷，如缺乏频率自动检测与跟踪能力、方波的谐波成分对互相关的影响，特别是频率较低的信号检测，受谐波的影响更大。为此，笔者提出了一种基于锁相环和直接数字频率合成(Direct Digital Synthnesizer，DDS)技术的微弱信号检测方案，利用锁相技术提取被检信号的频率，并以该频率为参考，通过DDS技术选择合适的波形进行相关处理，确定被检测微弱信号的幅度与相位，从而获得微弱信号的重建。

1 锁定检测放大器的工作原理与电路①

基于锁相环和DDS技术的微弱信号检测系统如图1所示。低信噪比信号通过低噪放大器进行幅度放大，由锁相环提取被检信号的频率，该频率值通过控制器传输给DDS，DDS产生同频率的本地参考信号，该信号与被检信号进行互相关运算。由于互相关运算与两者的相位差有关，因此控制器步进调整参考信号的相位使互相关值最大，此时DDS输出的信号与被检信号同频同相，再经放大器即可获得所需信号的幅度。显然，微弱信号检测的灵敏度与检测信号的带宽取决于锁相环的性能，被检信号的相位恢复取决于DDS的相位控制精度。

图1 微弱信号检测系统框图

1.1 锁相环电路

锁相环是一种相位反馈控制电路，通过相位的控制获得频率同步，因此锁相环输出的频率与被检信号的频率同步，但保持稳定的相位差。锁相环主要由鉴相器、压控振荡器和环路滤波器构成。笔者设计的微弱信号检测系统选用模拟集成锁相环LM565，其电路如图2所示。

图2 锁相环电路

图2中，9脚所外接定时电容由单片机控制，可以通过更换不同的电容来选择不同的压控振荡器工作频段。

1.2 DDS与频率合成

图1中的DDS提供微弱信号相关检测用参考信号，这里选用AD9850(其内部频率控制字字长32位)和高性能的10位数模转换器(工作时钟180MHz)，采用的时钟频率为180MHz时，频率分辨率为0.03Hz。可对输出正弦波信号的相位进行调整，具体电路如图3所示。为滤除谐波和杂波的干扰，合成信号经过五阶椭圆低通滤波器滤波输出。

图3 DDS模块电路

1.3 相关运算电路

相关运算由AD633乘法器和低通滤波积分电路组成[6]，如图4所示。截止频率10Hz，用以滤除噪声及谐波干扰等，其中运算放大器选用低噪声OP27。电位器RW用于调整电路漂移，电容C3=0.1μF，低通滤波用电阻R2=1MΩ，平衡电阻R3=1MΩ。

图4 相关运算电路

相关运算的输出为：

(1)

经过滤波，得到：

(2)

对应的微弱信号幅度ui的计算式如下：

ui=20(u0-Z)/uREFcos(φ)

(3)

显然，相关运算的值与输入信号的幅度和相位差有关，单片机调整DDS产生的参考信号相位可以使相关值最大，从而获得微弱信号的相位。

2 系统软件

基于锁相环和DDS技术的微弱信号检测系统的软件流程如图5所示。利用单片机89C51的定时器0与计数器1对锁相环的压控振荡器输出信号进行测频，并将该频率字赋予DDS，获得与输入信号同频的正弦波，如果存在频差，则采集的信号相关值发生周期性波动，可通过微调使两者频率相等。

图5 系统软件流程

当频率微调相等时，通过调整参考信号的相位，使采集的相关值达到最大，此时DDS输出的信号与被测信号同频同相。采集相关值获得被测信号的幅度。

3 测试

此次测试选用的DDS信号源为DG1022，可设置噪声信号输出；信号采集选用的模数转换芯片为TLC549，精度为8位；参考电压由MC1403提供。

3.1 锁相环频率测量

当输入信号幅值取1V且无噪声输入时，频率测量数据见表1，通过锁相环锁定，所测的信号频率偏小，误差在±1Hz以内。

表1 锁相环频率误差 Hz

3.2 灵敏度与最小信噪比测量

在无噪声条件下，输入信号频率为1.1kHz，当输入信号幅度小于150mV时，锁相环进入失锁状态，不能产生同频方波。输入信号幅值为300mV，频率为1.1kHz，当噪声幅值大于3.5V时锁相环失锁，当噪声幅度小于3.5V时，能够准确测频显示。

3.3 信号检测的幅度特性测量

设定噪声幅度为1V、频率1kHz，改变信号幅度，相关值采样，得到信号被测值，其特性曲线如图6所示。

图6 特性曲线

3.4 频率特性测量

噪声幅值仍设为1V，输入信号取为1V，改变其输入信号频率，相关值采样，得到信号被测值，其特性曲线如图7所示。

图7 幅频特性曲线

由图6、7可以看出，在低信噪比条件下，尽管幅频曲线有一定起伏，但检测系统具有较好的线性检测特性。在测试过程中，由于参考信号的频率与被测信号之间总存在频率差，对检测结果有一定影响，如DDS的预置频率精度为0.01Hz，而频率测量精度为0.10Hz。同时，相位控制的精度尚未达到最佳要求，如AD9851的相位调整精度只有4位，步进精度为11.25°，故所引起的误差较大。

4 结束语

系统采用锁相环获得微弱信号的频率，并以此控制本地频率合成信号的频率作为参考信号，进行相关处理，通过调整DDS的相位，获得最大相关值，从而使参考信号与被测信号同频同相，得到了无噪声干扰的再生信号。但在实际测试中发

现，尽管DDS合成信号的频率精度很高，但与被测信号仍存在很小的频差，导致乘法器输出的信号幅度缓慢变化，此时采用积分-清零方式无法获得相关值。为此，需要进一步微调DDS的工作频率，使两者频差控制在较小的范围内，并根据连续采集的幅度模拟出相关值的大小。同时，若能控制DDS的输出波形，并设置分辨率更高的相位控制，可进一步提高微弱信号检测的性能。