[发明专利]一种强噪声条件下微弱信号提取及数字处理系统

说明书

本发明公开了一种强噪声条件下微弱信号提取及数字处理系统，包括前置放大电路、FPGA可编程电路及外围电路，其中，上述前置放大电路包括依此连接的电流转电压型的跨阻放大器、具有差分输入的高带宽增益积电压放大器及可编程增益放大器；上述FPGA可编程电路包括数字同步环、内外参考信号单元切换开关、相敏检测器、低通滤波器、矢量运算电路、接口控制状态机及工频数字陷波器；上述外围电路包括24位Σ‑△型AD单元、正弦波转方波单元、TTL串口模块、第一16位DA单元及第二16位DA单元。本发明可以有效解决模拟锁相放大器的零点漂移和带宽问题，并获得优于模拟锁相放大器的技术指标，同时，将微弱信号处理的核心算法集中在一片可编程门阵列芯片上，兼具低成本和小体积的优点。

技术领域

本发明涉及微弱信号检测领域，特别指一种利用现场可编程逻辑阵列门(FPGA)从强噪声条件下微弱信号提取及数字处理系统。

背景技术

普遍情况下，微弱信号检测，锁相放大是很有效方法，而相干检测法是锁相放大的核心。其基本方法是先把有用信号和差化积到直流，然后做较低的低通滤波，使得与有用信号频率不同的噪声大部分被滤除，很大幅度地提高信噪比。对于模拟锁相放大器而言，采用模拟相敏检测器件总会存在一个DC直流分量，这对于微小信号的检测，带来的误差是致命的。

同时，在大多数系统中，噪声的分布都呈1/f特性，很多应用都会把调制频率提高，以得到较高的信噪比，模拟锁相放大器通常是根据频率来分段而采用不同的技术方案以更佳的性能，比如在1-200KHz的应用频率范围内，常会选择1-10KHz，10KHz-100KHz，100KHz-200KHz等几个段来分别提取信号，难以在较宽的范围内自动适应应用频率。

综合以上两种技术后实现的微弱信号提取装置通常具有较佳的技术性能，但这在实现成本上可能带来两方面的问题，一是需要昂贵的器件来达到上述功能，性价比不高；二是所用器件较多会使电路板体积增大，该装置作为系统的部件来使用时，工程适用性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种可以有效解决模拟锁相放大器的零点漂移和带宽问题，并获得优于模拟锁相放大器的技术指标，同时，将微弱信号处理的核心算法集中在一片可编程门阵列芯片上，兼具低成本和小体积的优点的强噪声条件下微弱信号提取及数字处理系统。

本发明采取的技术方案如下：一种强噪声条件下微弱信号提取及数字处理系统，包括前置放大电路、FPGA可编程电路及外围电路，其中，上述前置放大电路包括依此连接的电流转电压型的跨阻放大器、具有差分输入的高带宽增益积电压放大器及可编程增益放大器；上述FPGA可编程电路包括数字同步环、内外参考信号单元切换开关、相敏检测器、低通滤波器、矢量运算电路、接口控制状态机及工频数字陷波器；上述外围电路包括24位Σ-△型AD单元、正弦波转方波单元、TTL串口模块、第一16位DA单元一及第二16位DA单元；被测信号经高增益带宽积放大器放大之后，进入可编程增益放大器内，形成24位Σ-△型AD单元能够识别的信号电平，并经工频数字陷波器进入相敏检测器，使输入信号的频谱发生迁移，经过低通滤波器，将高频成分滤掉，得到该信号的直流表达形式，经过矢量运算电路后，分别得到该信号在两组正交参考信号下的幅度值，同时，矢量运算电路并行计算出该信号的相角值和模值，通过工频数字陷波器、TTL串口模块，实时对TTL串口模块进行读写，将当前信号的参数提取出来。

优选地，所述的数字同步环是二阶带宽自适应全数字锁相环，包括数字鉴频鉴相器、PI控制器、环路滤波器及数控振荡器；输入频率经过数字鉴频鉴相器后，其相位大小和方向信号输入到PI控制器，PI控制器将当前的比例参数和积分参数输出给数控振荡器，控制数控振荡器的输出，并且，输入的频率信号经过环路滤波器后，滤除输入的高频噪声部分，反馈到数字鉴频鉴相器，以进行下一次的频率同步。