[发明专利]一种基于时频变换的微弱信号检测装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种微弱信号检测装置，特别涉及一种基于时频变换的微弱信号检测装置。

背景技术：

微弱信号检测是测量技术中的前沿领域，一般通过传感器作电量转换，使检测对象转换为电量。当有用信号被大量噪声掩盖时，使测量受到较大限制。微弱信号检测主要手段是提高信号的信噪比。目前微弱信号检测技术的方法是通过锁相放大法，锁相放大法又分为数字锁相检测法和模拟锁相检测法。采用模拟锁相检测方法检测微弱信号的装置主要由信号通道单元，参考单元，相敏检波单元，模数转换单元，处理器组成。该装置的工作过程为：调制到固定频率的待检测信号a经过信号通道单元放大滤波后输出信号b；参考单元输出与信号b同频同相的信号d；信号b和信号d同时送入相敏检波单元，相敏检波单元滤掉调制频率的2倍频信号，获得差频相的直流成分得到输出信号e，再通过模数转换单元采样得到量化输出信号f，处理器通过读取模数转换单元的量化输出信号f，得到最终的测量结果。

数字锁相放大检测方法检测微弱信号的装置主要由信号通道单元，参考单元，模数转换单元和处理器组成，省略了相敏检波单元。该装置的工作过程为：待检测信号g经过信号通道单元放大滤波后输出信号h；参考信号经参考单元移相输出信号j，信号h和信号j一同送给模数转换单元，模数转换单元将信号h和信号j数字化以后输出信号k送给处理器，处理器根据信号h和信号j计算获得最终的测量结果，实际上就是处理器完成相敏检波的工作。

采用数字锁相检测法和模拟锁相检测法检测微弱信号的装置虽然都能实现微弱信号的检测，但是系统硬件较为复杂，无论模拟锁相法，还是数字锁相法，不仅需要信号通道的处理，还需要通过一些方法产生特定的参考信号。除此之外，模拟锁相法还需要相敏检波器(模拟乘法器)；数字锁相法需要两路模数转换，分别对参考信号和待检测信号进行采样。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种硬件结构简单、成本低的基于时频变换的微弱信号检测装置。

本发明的基于时频变换的微弱信号检测装置包括信号通道单元，模数转换单元，处理器；经过调制的待检测信号输入到信号通道单元，由信号通道单元进行放大和滤波；模数转换单元对信号通道单元输出的模拟信号进行采样后输出量化信号；处理器接收模数转换单元输出的量化信号并将其转换为频域信号进行功率谱分析，得到测量结果。

基于Parseval定理，信号在时域的总能量等于其频域的总能量，因而在时域的信号检测，可以在频域上进行。待检测信号被调制到固定频率，只需要在频域内得到这一频率的能量，即可获得所要测量的结果。本发明由于采用处理器将时域信号变换为频域信号，在频域内对微弱信号进行检测并获得测量结果，不需要产生特定参考信号的装置，因而硬件结构简单，成本低。

所述的处理器应用软件包括用于将模数转换单元输出信号进行功率谱分析，得到待检测信号能量相对强度的傅立叶谱分析模块。

所述的信号通道单元包括放大电路，增益控制电路，抗混叠滤波器；经过调制的待测信号经过放大电路进行放大后送入增益控制电路，由增益控制电路对信号进行增益放大；增益控制电路输出的信号送入抗混叠滤波器，由抗混叠滤波器滤除高频噪声以及完成AD模数转换器的阻抗匹配后送入模数转换单元。

待测信号经过放大电路放大输出后，利用增益控制电路对放大信号进行增益控制，将放大信号调整到模数转换单元采样的最佳电平，提高了信噪比和微弱信号测量的动态范围；采用抗混叠滤波器滤除高频噪声，避免了后续采样的信号混叠失真，同时抑制高频噪声，进一步提高了信噪比。

所述的放大电路由前置放大器和二级放大器组成；待测信号经过前置放大器放大后输入二级放大器，经过二级放大器进一步放大后输入增益控制电路。

所述的前置放大器选用低噪声放大器；选用高输入阻抗，高共模抑制比的低噪声放大器目的是为更少的引入噪声并完成与信号源阻抗匹配。因为信号非常微弱，仅仅依靠前置放大是不够的，所以采用二级放大器进一步放大。

所述的增益控制电路选用可编程增益控制器。可编程增益控制器可以通过软件编程来调整增益倍数，因此可以根据待测信号的强度调节增益控制电路的增益倍数，从而能够有效地将放大电路输出的信号调整到模数转换单元采样的最佳电平，提高了信噪比和微弱信号测量的动态范围。

所述的抗混叠滤波器选用有源低通滤波器。

所述的模数转换单元采用双极性AD转换器。

所述的抗混叠滤波器中还可以包括直流偏置电路；模数转换单元采用单极性∑-Δ型模数转换器。