一種信號檢測系統的制作方法

本發明涉及信號檢測技術領域，特別是涉及一種基于模擬乘法器以針對微弱信號進行檢測的技術。

背景技術：

自然界中的信號大多都是模擬的信號量，包括光、聲、壓力、熱等等，此類信號要想被處理器進行運算處理，是不可能的，必須通過傳感器進行轉換，將其轉換為易于分析處理的電信號進行處理，那么原始信號如果非常微弱的話，產生的電信號也就是非常微弱的，一般都在微伏級別。為檢測此種級別的微弱信號，現有技術大多采用高精度高位的模數轉換器(Analog To Digital Converter,ADC)芯片進行直接采樣，這種檢測手段對于設備的精密程度和成本要求相對較高，必須要用到精密的檢測儀器才能采集到如此微弱的電信號。

因此，有必要發明一種新的針對微弱信號的檢測技術以克服上述現有采用高精度高位的模數轉換芯片檢測帶來的諸多缺失，實已成為目前業界亟待克服之難題。

技術實現要素：

鑒于上述現有技術的缺失，本發明之目的在于提出一種信號檢測系統，其無需使用高精度高位的模數轉換器芯片亦可實現微弱信號測量，在保持高測量精度的基礎上還可有效降低系統成本。

為達上述及其他目的，本發明提出一種信號檢測系統，包括：前端處理模塊，用于接收一待檢測信號，并對該待檢測信號進行分壓、放大、濾波處理后輸出；參考信號處理模塊，用于接收一參考信號，并對該參考信號進行整形、移相、比較后產生一方波信號輸出；相敏檢波模塊，用于接收該前端處理模塊輸出的待檢測信號及該參考信號處理模塊輸出的方波信號，并依據該方波信號對該待檢測信號進行相敏檢波處理以產生相敏檢波信號輸出；后端處理模塊，用于接收該相敏檢波信號，并對其進濾波、放大處理后輸出；以及采樣模塊，用于對經該后端處理模塊處理后輸出的相敏檢波信號進行采樣量化以獲取該相敏檢波信號的幅度值。

較佳地，該相敏檢波模塊為乘法器，用于將經該前端處理模塊處理后的待檢測信號與該方波信號進行相乘處理。。

較佳地，該前端處理模塊包括：電阻網絡分壓單元，用于對該待檢測信號進行分壓處理后輸出；放大單元，與該電阻網絡分壓單元連接，用于對該電阻網絡分壓單元輸出的待檢測信號進行放大處理后輸出；以及濾波單元，與該放大單元連接，用于對該放大單元輸出的待檢測信號進行濾波處理后輸出。該濾波單元為帶通濾波器。

較佳地，該參考信號處理模塊包括：整形單元，用于對該參考信號進行整形處理后輸出；移相單元，用于對該整形單元輸出的參考信號進行移相處理以使其與該待檢測信號的相位一致，并將移相后的待檢測信號輸出；以及比較單元，用于將該移相單元輸出的待檢測信號與一比較信號進行比較運算以產生方波信號輸出。

較佳地，該后端處理模塊包括：濾波單元，用于對該相敏檢測信號進行濾波處理后輸出；以及放大單元，用于對該濾波單元輸出的相敏檢測信號進行信號放大處理后輸出。進一步地，該濾波單元為低通濾波器。

較佳地，該采樣模塊為微處理器，其具有第一、第二采樣量程以對該相敏檢測信號進行雙通道采樣測量。其中，該第一、第二采樣量程分別為0.03v-0.3v及0.3v-3v。

較佳地，本發明還包括顯示單元，用于顯示該采樣模塊所獲得的相敏檢測信號的幅度值。

與現有技術相比，本發明以相敏檢波為核心，把參考信號經移相及比較單元產生的方波信號，與經放大濾波后的待檢測信號進行相敏檢波，相敏檢波信號經濾波放大處理后由采樣模塊進行采樣量化以獲取相敏檢波信號的幅度值，進而完成對待檢測信號的檢測。本發明利用相敏檢波技術代替現有技術采用的高精度高位模數轉換器芯片執行微弱信號測量，不僅可以高精度檢測微弱電信號，還可以克服現有采用高精度模數轉換器芯片導致的測量裝置成本高之問題。

附圖說明

下面將以明確易懂的方式，結合附圖說明優選實施方式，對一種信號檢測系統的上述特性、技術特征、優點及其實現方式予以進一步說明。

圖1、圖2是本發明之信號檢測系統第一實施例之基本架構圖；

圖3為本發明之模擬乘法器的乘法過程圖；以及

圖4是本發明之信號檢測系統第二實施例之基本架構圖。

附圖標號說明：

10.前端處理模塊，11.參考信號處理模塊，12.相敏檢波模塊，13.后端處理模塊，14.采樣模塊，15.顯示模塊，100.電阻網絡分壓單元，101.放大單元，102.濾波單元，110.整形單元，111.移相單元，112.比較單元，130.濾波單元，131.放大單元。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對照附圖說明本發明的具體實施方式。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖，并獲得其他的實施方式。

為使圖面簡潔，各圖中只示意性地表示出了與本發明相關的部分，它們并不代表其作為產品的實際結構。另外，以使圖面簡潔便于理解，在有些圖中具有相同結構或功能的部件，僅示意性地繪示了其中的一個，或僅標出了其中的一個。在本文中，“一個”不僅表示“僅此一個”，也可以表示“多于一個”的情形。

本發明之信號檢測系統主要結合相敏檢波技術對微弱電信號進行檢測。如圖1所示，該信號檢測系統包括：前端處理模塊10、參考信號處理模塊11、相敏檢波模塊12、后端處理模塊13以及采樣模塊14。以下即對該些模塊之間的邏輯關系及運作機理進行詳細說明。

前端處理模塊10，用于對以初始待檢測信號S(t)進行分壓、放大、濾波處理形成待檢測信號X(t)，并將該經處理的待檢測信號X(t)輸出給相敏檢波模塊12。

參考信號處理模塊11，用于接收一參考信號R(t)，并對該參考信號R(t)進行整形、移相處理后與一比較信號比較以產生一方波信號r(t)輸出給相敏檢波模塊12。

相敏檢波模塊12與上述前端處理模塊10及參考信號處理模塊11連接，用于接收上述待檢測信號X(t)及方波信號r(t)，并根據該方波信號r(t)對該待檢測信號X(t)進行相敏檢波以產生相敏檢波信號輸出給后端處理模塊13。

后端處理模塊13與上述相敏檢波模塊12連接，接收其所輸出的相敏檢波信號，并對該相敏檢波信號進行濾波放大處理后輸出給采樣模塊14。

采樣模塊14與后端處理模塊13連接，接收其所輸出的經濾波放大處理后的相敏檢波信號，并對該相敏檢波信號進行采樣量化處理以獲取該相敏檢波信號的幅度值。至此，透過本發明完成對初始輸入的待檢測信號進行幅度檢測。

請一并參與圖2，其顯示圖1所示的各模塊的內部組成圖。如圖2所示，上述前端處理模塊10進一步包括電阻網絡分壓單元100、放大單元101以及濾波單元102。本發明中，上述初始輸入的待檢測信號S(t)為一交流信號，該交流信號經由電阻網絡分壓單元100分壓處理后輸出給放大單元101。本發明之放大單元101采用以交流放大器對經由分壓后的交流信號進行放大處理后輸出給濾波單元102。而本發明之濾波單元102采用帶通濾波器，用于對經分壓、放大處理后的交流信號進行濾波處理以濾除交流信號中的噪聲干擾。

需特別說明的是，上述放大單元101所采用的交流放大器由運算放大器來實現，考慮到運放器的內部噪聲包括白噪聲和1/f噪聲，此處選擇的運算放大器必須是低噪聲的運算放大器，這樣才會使系統噪聲達到最小，本發明選擇的是一個三級級聯的運算放大器作為信號放大部分。而上述濾波單元102所采用的帶通濾波器由一個運算放大器組合一個窄帶濾波器來實現。

請繼續參閱圖2，上述參考信號處理模塊11包括整形單元110、移相單元111以及比較單元112。其中，整形單元110接收上述參考信號R(t)，并對該參考信號進行整形處理后輸出給移相單元111；移相單元111對該經整形的參考信號進行移相處理以使其相位與上述待檢測信號相位一致，并將移相處理后的參考信號輸出至比較單元112；比較單元112將該經整形移相處理后的參考信號一比較信號進行比較以產生上述方波信號r(t)，并將該方波信號r(t)輸出至上述相敏檢波模塊12。

由于要獲得待檢測信號的幅度信息，需要用乘法器將處理過的微弱信號和方波進行相乘，因此，本發明之相敏檢波模塊12采用模擬乘法器設計，對輸入的信號X(t)及方波信號r(t)進行乘法運算，由于乘法器的兩個輸入端信號X(t)及r(t)的相位與頻率一致，經乘法器處理后可得到一個直流信號。請參閱圖3，其顯示乘法器的乘法運行過程，設X(t)＝U1(t)，R(t)＝U2(t),選擇模擬乘法器對他們進行相乘得到幅度信息。計算過程如下：

u₁(t)＝u₁(m)cos(ω₁t+φ₁)

(1)

u₂(t)＝u₂(m)cos(ω₂t+φ₂)

(2)

(1)*(2)得

當ω₁＝ω₂＝ω時

(3)式為

過一個低通濾波器將(4)式中的二倍頻濾掉可得

當φ₁＝φ₂時

(5)式為即為一個直流信號

其傅里葉公式為：

其中

接下來對全波整流信號進行傅里葉計算

帶入傅里葉展開式可得

全波整流信號的傅里葉展開式為：

ω₀為原信號的角頻率。

請繼續參閱圖2，上述后端處理模塊13包括濾波單元130以及放大單元131。本發明之濾波單元130采用低通濾波器，上述相敏檢波信號經由該低通濾波器濾波后可以產生理想的直流電壓信號；而放大單元131采用直流放大器設置，用于對該直流電壓信號作放大處理后輸出給采用模塊14進行采用量化處理以獲取相敏檢波信號的幅度值信息。

需特別說的是，采用模塊14采用微處理器設置，由于我們測量的信號微弱(微伏級別的信號)，所以分壓比放大后仍有小范圍的信號無法準確測量，所以微處理器采用雙通道來對信號進行采樣測量，將其按比例分為0.03v—0.3v和0.3v—3v兩個量程，當信號為小量程時，對其進行適當的放大再進行采集，在程序里面只需把放大的倍數出去就好。大部分微處理器的采樣峰值電壓值為3.3V，所以我們要在放大信號后面加上限幅電路以保護微處理器。

圖4所示者為本發明之信號檢測系統第二實施例之示意圖，本實施例所示之檢測系統與圖1所示的檢測系統不同之處在于，本實施還包括顯示模塊15，顯示模塊15用于顯示采樣模塊14所獲得的相敏檢測信號的幅度值信息，進而便于檢測人員快速直觀獲得針對上述待檢測信號的檢測結果。

應當說明的是，上述實施例均可根據需要自由組合。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。