基于数字相关的微弱信号检测系统的设计

汪彦君 程小辉 桂林理工大学信息科学与工程学院

锁相放大器主要用于检测正弦信号的幅值及相位，是民用和军事领域中最为常用的微弱信号检测设备。其依据信号噪声的互相关性，选定一个与被测信号同频率的参考信号，根据噪声与此参考信号不具有相关性，而淹没于强噪声中的微弱信号与参考信号具有极高相关性的特点，将混有强噪声的被测信号与参考信号相乘并作平均，所得结果即可反映被测信号的有效值。

相关解调器基于互相关检测的原理，是锁相放大器的主要组成部分，又称相敏检波器。其主要工作过程如下：首先对低频微弱周期信号进行调制，再将其通过选频放大器，然后与相同频率的参考信号作乘法运算，对运算结果进行低通滤波以滤除高频谐波分量，剩下的直流分量经过放大后所得的输出信号电压能体现出被测信号的电压有效值。经过数字相关运算，本系统极大地抑制了噪声，实现了从强噪声中提取有用微弱信号的目的。

1 系统方案

本系统用于检测已知频率微弱信号的幅值，先由软件生成相位为0°和移相90°后的参考信号，再将混有强噪声的微弱信号分别与上述两个参考信号作数字相关运算处理，即可得到一个与被测信号幅值成正比的值，再将此值乘以系数（值由测试结果确定）后即可得到被测信号的实际电压。本系统的设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

参考信号Q和I由软件产生，这样可避免信号调理电路、A/D转换带来的噪声混入及转换误差，提高了运算的精度。

2 电路设计

本系统为实现实时、高精度的数据采集及处理，采用DSP作为中央处理器，其具有较丰富的内部资源和I/O端口，可进行速度快、精度高的运算，满足了数字相关算法对本系统的要求。A/D转换芯片的选取应能满足系统要求的采样速率及采样精度，故本系统选用AD公司的AD7655，其1Msps的采样速率和16位的采样精度已满足系统要求，使测量达到一定的理论精度。为尽量不引入额外的噪声，前级信号调理电路的运放选用了OPA27，其具有低噪声低温漂的特性，同时对信号调理部分的电路设计进行简化，使其仅具有信号放大和阻抗匹配的功能，而其它方面则由程序代为实现。

下位机通过RS232与上位机通讯，将采集到并进行数字相关运算后的结果传送给上位机进行处理并显示。

3 算法设计

数字相关算法的步骤如下[3]：

通道1的参考信号不移相直接相关，有：

4 实际数据测试

用1KHz正弦波分别与2KHz、3KHz正弦波进行叠加，测量叠加后的信号，采集速率为80KHz，设置5个不同的信号幅值进行测试，结果如表1、表2所示。

表1 1KHz正弦波与2KHz正弦波叠加的测量值

表2 1KHz正弦波与3KHz正弦波叠加的测量值

5 结论

实际数据测试结果存在一定的误差，原因主要有两方面：一是试验用参考信号是由程序生成，而被测信号是由信号发生器发生，两者的频率无法做到完全匹配，会影响测量精度，可见在数字相关算法中，被测信号频率与参考信号频率的匹配程度是影响系统检测精度的一项重要指标。二是数字相关算法的输入信号是模拟信号经过A/D转换器后输出的数字信号，在转换过程中也存在着一定的舍入误差，这同样会影响到系统的检测精度。

[1]朱卫华，陈权，刘国稳.数字锁相放大器优化设计与仿真研究. 仪表技术，2017 (2)：18-21

[2]姚国生，孙志斌，李培刚，吴杰涛. 基于微弱交流信号检测的锁相放大系统设计，工业控制计算机，2017，30 (1)：134-135

[3]漆淼，郭建强.基于互相关函数的微弱信号检测仪的研究. 微型机与应用，2013，32 (9)：14-17