微弱信号检测与数据采集技术研究

李海

（中国核动力研究设计院，四川成都，610213）

1 微弱信号的检测算法

传统的微弱信号检测方法是将前置低通滤波后的信号，然后通过锁定模拟放大器(LIA)与参考通道信号完成相关运算，使用模拟器件来实现相关运算。这种装置虽然速度快。可是因为锁定放大器成本较高，体积过大，使用极其不便，无法按照不同的信号作出合理的改变，一般不适合于小系统和户外运行的设备。若把LIA中的有关运算改变为功率谱计算，那么就能使用数字相关运算替代模拟的锁定放大器（LIA）中实现有关运算的模拟器件，最终实现数字相关器[1]。

（1） 检测原理

设被检测信号 x（n）由有用信号 s（n）和噪声 n（n）组成 ：

x（n）= s（n）+ n（n）

x（n）的自相关函数为：Rxx（m）=Rss（m）+Rsn（m）+Rus（m）+Rnn（m）

式中Rss（m）是s（n）的自相关函数；

Rsn（m）是s（n）和n（n）的互相关函数；

Rns（m）是n（n）和s（n）的互相关函数；

Rnn（m）是n（n）的自相关函数；

由于噪声是正态分布的并且不包括周期分量，所以Rsn（m）=0，Rns（m）=0，且由于m的增大，Rnn（m）趋近于0，故而Rxx（m）≈Rs（m），则Rxx（m）记为R（m）。

根据Wiener-Khinchine理论，功率信号的功率谱与它的自相关函数是一对傅里叶变化，所以能够使用快速傅里叶变换（FFT）算出自相关函数。但是在实际中x（n）只有N个观察值，所以求出的Rx（m）只能是自相关的一个估计值。因此自功率谱为：

对上式作 IFFT能够得到 R（m）。设输入x（n）是正弦信号，即

式中X2NeJw是x（n）当n=2N-1时的离散傅里叶变换（DFT）。

（2）检测算法

功率谱估算法实现数字相关算法的核心是离散傅里叶变换（DFT）。DFT有其快速的算法FFT。对于IFFT，因为经过A/D采集的数据是实信号，所以能够使用快速有效的实数FFT算法。本文使用一个N点FFT计算的2N点实序列，算法不但能够增加谱估计的速度，还能节约数据存储器的内存。

2 A/D数据采集模块的设计及实现

一个完整的数据采集系统由以下几个部分构成：传感器、多功能数据采集卡、计算机等部分构成。其中，传感器是把被测量信号转换为电信号的信号转化器件，但是因为传感器的电气特点，它所产生的电信号大多不能够直接输入到PC中，需要展开调理才可以被数据采集设备精准、可靠的接收（如图1）。一般说的信号调理就是把变送器、传感器输出的电信号展开隔离、放大、滤波等，从而有利于数据采集卡进行数据的采集[2]。

2.1 前置调理电路

数字采集系统要使用很多的通用调理功能，从而增加其测试质量与稳定性，它的核心作用能够分成三个部分：（1）放大。放大是使用得最多的信号调理方式，也就是把输入很小的电信号放大到和数据采集卡的量程差不多的大小，以获得尽可能高的分辨率；(2)隔离。隔离是指使用光电耦合器或者变压器的方式在测试系统与被测系统中传输信号，从而免除直接的物理、电连接。由于被测常量有瞬变与冲击现象，可能对计算机与数据采集卡造成破坏，故要将传感器信号与计算机分隔开来，使系统安全得到了保证；(3)滤波。滤波是为了从需要测量的信号里分离出干扰信号，一般整个数据采集系统都会或多或少的受到电源线自身的50Hz噪声干扰，因此，在该模块中都包含有低通滤波器。

2.2 A/D转换模块

本采集模块是单通道的，因为采集的是微弱的信号，要求采集的数据噪声小、精度高，故选用A/D公司的12位逐次逼近型ADC，它的转换速度为25μs，转换精度为0.05%。

2.3 A/D数据采集软件实现

2.3.1 软件编程

AD574使用中断的方法，向S3C4510B通知转换完成，之后S3C4510B获取数据到数据存储区中，直到开辟的数据存储区满后，上位机则会使用数据处理程序向上位机传送数据程序[3]。由硬件电路的接法和S3C4510B特殊功能寄存器的配置值，得到AD574各操作对应的口地址:

启动A/D转换:0x3FD4000，

读数据:0x3FD4001。

2.3.2 数据采集结果分析

给模块输入+5V的直流电压，将转换后的结果打印输出，以便观察A/D转换结果，启动A/D转换，

调节AD574的GAIN电阻和OFFSET电阻，使输出数据达到最大值OxFFF；给该模块输入-5V的直流电压，调节GAIN电阻和OFFSET电阻使输出数据为0x000；给该模块输入100Hz的正弦波，调节正弦波峰峰值为10V，并且向下偏移5V，启动A/D转换，将读取的数据通过串口打印出来，观察数据，逐渐调节AD574的GAIN电阻和OFFSET电阻，使AD574转换后输出的数据最大值为OxFFF，最小值为0，这样就保证了AD574采集模块能够工作正常。将采集到的数据直接保存到SDRAM存储区内，供S3C4510B进一步处理。

3 结束语

微弱信号检测能力得到较大的提高，各种微弱信号检测仪器正向数字化、微机化方向发展。探索新的微弱信号检测方法已经成为检测技术领域的一个热点。