基于DDS的微弱信号提取装置的研究

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(1.成都学院工业制造学院，四川 成都 610106；2.电子科技大学电子工程学院，四川 成都 611731)

基于DDS的微弱信号提取装置的研究

程子扬1,2，程跃1，赵悦1，莫莉1

(1.成都学院工业制造学院，四川 成都 610106；2.电子科技大学电子工程学院，四川 成都 611731)

0 引言

在通讯、图像处理、机械结构损伤分析及故障诊断等一些应用场合，需要提取出被噪声淹没的微弱信号。目前，微弱信号检测方法主要集中于2个方面：一是利用现代信号处理方法对噪声进行抑制和消除[1-2]，这类方法当噪声频率和信号频率接近时，不可避免地会损伤到有用信号;二是利用非线性系统理论和智能算法对微弱信号进行检测[3],这类方法理论先进,但在硬件实现上难度高且成本高昂。随着数字电子技术的发展和高性能芯片的推出，使开发性能好，成本低廉的微弱信号提取装置成为可能。直接数字式频率合成器DDS(direct digital synthesizer)是从相位出发直接合成所需波形的一种频率合成器，与传统的频率合成器相比，具有低成本、低功耗、高分辨率和转换时间快等优点。因此,有必要研究通过直接数字频率合成技术，实现对微弱信号提取的方法。

1 系统总体方案设计

系统包括信号检测部分和信号提取部分。检测部分由带通滤波器和锁相放大器组成。提取部分由信号合成芯片和压控放大器组成，实现对被测信号的跟踪。系统设计总体结构如图1所示。

图1 系统组成

2 正交矢量锁定放大器工作原理

正交矢量锁相放大器是在常用锁相放大器的结构上演变而来。它包括信号通道、参考通道、相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)[4-5]。

输入信号为被噪声淹没的被测信号，信号通道对含有噪声的被测信号做适当的放大和初步的滤波处理，以滤除部分噪声。参考信号一般选用与被测信号频率相同的周期信号，参考信道对参考信号做适当的修整和移相，以得到最佳的输出量。相敏检测器是锁相放大器的核心部件，其输出量取决于被测信号与参考信号的相位差。设计采用的是ADI公司的平衡调制解调器AD630，该器件属于电子开关式，相当于参考信号为方波情况下的模拟乘法器，其推导过程如下[6]。

相位检测器输出为：

up(t)=r(t)×x(t)

(1)

设被测信号与参考信号的相位差为θ，噪声信号为n(t)，即

x(t)=Vxcos(ω0t+θ)+n(t)

(2)

参考输入r(t)是幅度为±Vr的方波，周期为T，角频率wo=2π/T，用傅里叶级数展开：

(3)

a0为直流分量；am为余弦分量的傅里叶系数；bm为正弦分量的傅里叶系数。

则相位检测器的输出为：

(4)

根据上述原理，虽然可以得到包含有被测信号幅值信息的输出量u0(t)，但是参考信号与被测信号的相位差θ是未知的，故也不能确定被测信号的幅值。在上述理论基础上，将基本锁相放大器的结构改进为正交矢量锁相放大器结构，如图2所示。

图2 正交矢量锁相放大器结构

在图2中,相敏检测器的参考信号相位相差90°，根据上述推导方法，可以得出输出分别为：

I=Vscosθ

(5)

Q=Vssinθ

(6)

则被测信号的幅值和相位为：

(7)

θ=arctan(Q/I)

(8)

3 硬件电路设计

3.1 锁相放大器电路设计

锁相放大器是信号检测部分的核心，设计采用2片AD630实现了一种简单的正交矢量锁相放大器，其电气连接如图3所示。

图3 正交矢量锁相放大器电气连接

由比较器COMP控制开关S选通放大器A或B[7]，片内电阻均为高稳定度的SiCr薄膜电阻，保证了其在检测中的精度和稳定性。设计中需保持2路增益放大器严格的1∶1匹配关系。

当被测信号与参考信号同频、同相时，AD630输出端的低通滤波器的输出具有最大值。当被测信号与参考信号频率相同但是相位相差90°时,低通滤波器输出为0。如果2路参考信号正交，那么低通滤波器输出的2路信号也是正交的，分别设为Vout0，Vout90。即可得到被测信号的幅值和相位为：

(9)

(10)

由于参考电压的稳定性直接决定了测量精度，设计采用ADI公司的集成DDS芯片AD9851产生其中一路的参考信号。另一路相位差为90°的方波通过积分电路得到三角波，再通过AD630内部自带的比较器得到相位差为90°的方波信号。

3.2 低通滤波器电路设计

锁相放大器后续低通滤波器的截止频率直接影响了锁相放大器输出信号的信噪比。其截止频率越低，输出信号信噪比越高。此处设计二阶有源低通滤波器，其截止频率为1Hz。该滤波器很好地滤除了锁相放大器中的等效噪声。

3.3 直流放大器设计

为提高系统的测量精度，在锁相放大器输出端加上直流放大器。采用TI公司的程控放大器PGA202。PGA202通过2个控制线可以设置4个放大挡位，根据不同范围的幅值，设置不同的放大倍数，这样使系统设计更加灵活，测量精度进一步提高。其挡位分配如表1所示。

表1 PGA202放大挡位分配

3.4 信号合成电路设计

设计采用DDS来达到间接提取微弱信号的目的。选用DDS专用集成芯片AD9851。AD9851采用高速DDS内核，可接收32位控制字，5位相位控制字，在180MHz的时钟系统下，输出频率分辨率可达到0.04 Hz，相位增量为11.25°。AD9851控制方式分串行和并行，为了节省I/O，采用串行控制方式，其电路连接如图4所示。

图4 AD9851的电气连接

图4中,R8为内部DAC的参考电阻RSET，DAC输出电流的大小和RSET的值为：

Iout=39.93/RSET

(11)

RSET=39.93/Iout

(12)

设计中取RSET=3.9 kΩ，则Iout=10.2mA。

L1，L2周围的电阻、电容构成七阶椭圆低通滤波器，截止频率为60MHz，用以滤除1/2Fi以上的谐波成分，使输出波形更加干净。通过调节VR1使输出正弦波的幅值范围在0～1V之间，然后通过后续的隔直电路，使输出得到500mV的正弦波。

3.5 幅值跟踪电路设计

由锁相放大器检测出被测信号的幅值大小，然后通过TI公司的压控放大器VCA810来实现增益控制,以达到幅值跟踪的目的。VCA810的控制电压Vc范围为-2～0V，控制电压与放大增益的关系为：

G(dB)=-40×(Vc+1)(dB)

(13)

控制电压由16位DAC 芯片TLV5616提供，通过一个反相放大器变为负电压。程序中的操作函数变为：

G(dB)=40×(Vc-1)

(14)

所以有：

(15)

(16)

4 软件设计

系统采用TI公司MSP430F5529作为主控制器,在CCS5.2编译器上通过C语言完成了对AD9851，TLV5616，ADS1115，LCD102×64以及按键等模块的驱动和软件开发，为实现良好的操控性能，设计了友好的人机交互界面。软件流程如图5所示。

图5 软件流程

5 测试结果分析

在装置软硬件调试完成后,进行了系统测试与分析。被测信号由专用函数发生器提供，在5 V的噪声背景下分别对不同频率、不同幅值的被测信号做了实验，用双踪示波器观测被测信号与还原出的信号。测试结果如表2所示。

从测试结果可以看出,输出信号频率与被测信号频率相对误差在0.02%以下，输出信号的幅值误差随被测信号幅值的减小而增加，由于信号很小时容易受到环境噪声的干扰，所以在信号幅度很小时相对误差较大，但都在10%以内。输出信号与被测信号的相位差主要取决于AD9851的相位分辨率，而AD9851的相位增量为11.25°。

表2 测试结果

6 结束语

利用DDS技术,设计了微弱信号提取装置，以正交矢量锁相放大器实现对大噪声下微弱信号的检测，在得到被测信号的幅值、频率和相位特性后，通过DDS和压控放大器实现对被测信号的提取。测试结果表明，系统可以提取出信噪比低于10-3的微弱信号，具有较高的精度和稳定性，对于大噪声背景下微弱信号的提取具有良好的工程实用价值。

[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] 邓宏贵,曹文晖，杨兵初，等.基于混沌理论和小波变换的微弱周期信号检测方法[J].中南大学学报(自然科学版),2012,43(5):1773-1779.

[4] 高晋占.微弱信号检测[M].北京:清华大学出版社,2009.

[5] 赵 磊.煤矿瓦斯光纤传感检测仪的研制[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[6] 王宜昶.基于UHF的新型GIS局放传感器设计[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[7] 朱晓莉,厉 霞.基于AD630的双相锁相放大器设计[J].机电工程技术,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)

为提取强噪声背景下的微弱信号，设计以MSP430F5529为主控制器的微弱信号提取装置。在利用正交矢量锁定放大器原理的基础之上，通过直接数字式频率合成器和压控放大器来实现对被测信号的跟踪，以达到对微弱信号提取的目的。

正交矢量；锁定放大器；直接数字式频率合成器；压控放大器

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

四川省高等教育质量工程大学生创新实验项目(33313)；成都学院校基金重点项目(2012XJZ03)

TN74

A

1001-2257(2014)06-0018-04

程子扬(1990-)，男，湖北应城人，硕士研究生，研究方向为信号分析与处理;程跃(1981-)，男，重庆人，博士，讲师，研究方向为机电系统智能控制、机械结构可靠性分析及优化。