[发明专利]基于调制双稳态随机共振原理的微弱信号检测电路

说明书

技术领域

本发明属于微弱信号检测与处理领域，涉及一种基于调制双稳态随机共振原理的微弱信号检测电路。

背景技术

基于随机共振原理的检测方法利用了噪声，非线性系统和信号之间的协同效应，实现了背景噪声能量向检测信号能量的转移，提高了输出信噪比，对输入信号起到了放大作用。但以绝热近似理论为代表的各种近似理论研究表明，只有在小参数（信号的频率、幅值、噪声的强度都远小于1）条件下，利用随机共振理论检测微弱信号才有明显的优势。然而在工程实际如机械故障中，更常见的是一些中低频信号，因而如何将随机共振原理应用于中低频信号的检测成为工程应用中的关键。

利用信号调制原理将待测的周期信号和DDS芯片产生的扫频信号混频后加到非线性双稳态系统中实现随机共振，实质上是一种频率上的迁移过程——使原本不符合绝热近似理论为代表的各种近似理论的待检测信号转化为符合条件的待检测信号。并设计了基于这种方法的混频随机共振电路系统。通过实验，验证了该电路系统可用于较高频率微弱信号的检测。

所用朗之万（Langevin）方程可以描述为：

                                 （1）

式1中 a ,b均大于零，是决定势阱的形状参数，是外加周期调制信号，其中A为信号幅值，ω是调制信号频率，代表高斯分布白噪声，且满足统计均值和自相关函数分别为： 

                                        （2）

式中：D为噪声强度，是延迟时间。是冲击函数，则此非线性双稳态系统所对应的势函数为：

                                              （3）

式3代表一个由两势阱和一势垒组成的双稳态系统。这时，经典的随机共振原理就可以描述成一个过阻尼粒子在两稳态势阱中运动的模型。

在静态条件下:A=D=0时，系统具有两个相同势阱和一个势垒，阱底位于,势垒高度为。当a=b=1时，阱底位于，势垒高度为。在无信号和噪声输入时，该系统的初始状态决定了质点处于两个势阱中的其中一个势阱。当有幅值A>0的信号输入该系统时，系统将不再处于平衡状态，势阱在信号的驱动下，按照频率发生周期倾斜运动。如果A<（），质点仍只能以相同的频率在某个势阱内进行小范围的周期运动。但是如果引入噪声后，即使A<,质点也会出现从原来的势阱跃迁到另一个势阱的现象，此时的系统输出频率等同于信号的频率，以此频率来回在两势阱中切换。如果A>0时，信号就可以给系统两势阱之间的切换引入周期变化量，从而可以使对噪声引起的切换同步进行，也就加强了系统输出中的小周期分量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于调制双稳态随机共振原理的微弱周期信号检测电路，是一种可以对淹没在强噪声背景下的微弱信号进行有效检测的方法。本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

基于调制双稳态随机共振原理的微弱信号检测电路，包括MCU控制模块、显示模块、输入模块、调制信号产生模块、参数通道选择模块和调制随机共振检测模块。

整个电路采用+15V、-15V以及+5V的直流电压；MCU控制模块主要控制产生控制信号并控制参数通道选择模块；显示模块显示调制随机共振检测模块内调制信号的频率、强度、系统检测频率扫描范围、步进值及参数选择通道；调制信号产生模块产生调制信号，然后与待测信号混合后送入调制随机共振检测模块；调制随机共振检测模块包括四个子模块，分别是调制电路运算模块、积分运算模块、反向比例运算模块、乘法器运算模块。

其中调制电路运算模块对输入电压V1和调制信号电压V2进行一次乘法运算后输出V_c1信号，经过比例运算放大器OPA4227（IC1D）对输入的V_c1信号进行10倍放大后送入积分运算模块，得到-V_c2信号，此时分为两路引出，一路经过集成乘法器芯片MPY634(IC5)和集成乘法器芯片MPY634(IC4)后得到V_c3信号，一路再经过比例运算放大器OPA4227（IC2B）放大后输出信号V_c2，将V_c2信号经过参数调整模块得到将V_c4信号，同时可得到最终输出信号V_c2。