CN101251606A - 弱信号检测仪器中有用信号频带内工频谐波干扰抑制电路 - Google Patents

弱信号检测仪器中有用信号频带内工频谐波干扰抑制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种弱信号检测仪器中有用信号频带内工频谐波干扰抑制电路，是利用频率、相位、幅度全面跟踪有用信号频带内工频谐波造成干扰的补偿电路。是主微处理器控制信号传感器与阻抗匹配网络的接通与断开，阻抗匹配网络经前置放大器、宽带滤波器与程控放大器连接，输出信号包络检测器通过控制线和数据总线与从微处理器连接，程控放大器经锁相环连接DDS信号发生器。有效地抑制检测仪器中有用信号频带内的工频谐波干扰，实时地跟踪这种干扰的频率、相位和幅度，将其从接收信号中滤除，而不影响其它有用信号，不影响和这种干扰频率重叠的有用信号频率成分。

Description

弱信号检测仪器中有用信号频带内工频谐波干扰抑制电路
技术领域
本发明涉及检测仪器的接收放大滤波部分，是利用频率、相位、幅度全面跟踪技术，补偿有用信号频带内工频谐波造成干扰的电路。
背景技术
在弱信号检测仪器中，需要提高信噪比。提高信噪比的最有效手段是用尽可能窄的带通滤波器滤除有用信号频带以外的噪声与干扰。但有的干扰正好就在有用信号频带内，这种干扰信号的幅度、频率及相位在短时间内变化不大。由于陷波器有一定的阻带宽度，如果用普通陷波器或跟踪陷波器滤除这种干扰，会损失一部分有用信号频率成分。所以就需要发明一种电路，在几乎不损失有用信号频率成分的前提下滤除有用信号频带内的这种干扰。例如在核磁共振找水仪中，工频谐波，尤其是奇次谐波就是这样一种干扰。
利用核磁共振原理寻找地下水是近年来发展起来的一种新技术。它有唯一解、速度快和成本低的特点，但其信号只有数纳伏到数百纳伏量级，极易受周围环境干扰影响而使结果模糊甚至无法工作。核磁共振找水仪的信号频率是与地磁场成正比的拉莫尔频率，它在全球范围内为1.278KHz～2.556KHz。这个频率范围以外的干扰可以用严密的屏蔽措施加上大陡度的宽带滤波器滤除。为了更彻底地滤除干扰，核磁共振找水仪放大器用中心频率为被测点拉莫尔频率，带宽为100Hz，中心频率可程控的滤波器进一步滤波。但是总会有至少一个工频奇次谐波频率干扰落在这个频带内。有时这个工频谐波干扰幅度比有用信号幅度大得多。由于工频频率最大可能有1％的频率漂移，所以这个干扰可能最大有26Hz的频率漂移，它与有用信号的相位差是不确定的，它的幅度也是不确定的，所以不能用固定频率的陷波器滤除。又因为陷波器有一定的阻带宽度，所以也不能用中心频率可程控的陷波器滤除，否则会造成很大的信号失真。
本发明提供了一种新的电路，可以实时地跟踪这种干扰的频率、相位和幅度，将其从接收信号中滤除，而不影响其它有用信号，甚至不影响和这种干扰频率重叠的有用信号频率成分。
其他凡是具有这种有用信号频带内含有工频谐波造成的干扰的检测仪器，都可用这种电路抑制这种干扰。其实不仅是工频谐波造成的干扰，凡是频率、相位、幅度短时间内仅在一个很小的范围内变化的电信号干扰也都可用这种电路抑制。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种有效地抑制检测仪器中有用信号频带内的工频谐波干扰，而尽可能地避免这一抑制干扰过程对有用信号削弱的弱信号检测仪器中有用信号频带内工频谐波干扰抑制电路。
本发明的目的是通过以下方式实现的：
主微处理器1通过控制线2和16连接从微处理器3，主微处理器1经电源电容充电控制电路21与发射机22连接，主微处理器1通过控制线20与K1连接，控制信号传感器9与阻抗匹配网络18的接通与断开，阻抗匹配网络18经前置放大器10、宽带滤波器19、程控窄带滤波器5和减法器8与程控放大器11连接，程控放大器11与输出信号包络检测器13连接，输出信号包络检测器13通过控制线14和数据总线15与从微处理器3连接，程控放大器11经控制线17与从微处理器3连接，程控放大器11经锁相环12与DDS信号发生器7连接，DDS信号发生器7与减法器8连接，从微处理器3通过控制线6与DDS信号发生器7连接，从微处理器3通过控制线4与程控窄带滤波器5连接，从微处理器3通过数据线23与锁相环12锁定标志端连接。
有益效果：本发明有效地抑制了检测仪器中有用信号频带内的工频谐波干扰，可以实时地跟踪这种干扰的频率、相位和幅度，将其从接收信号中滤除，而不影响其它有用信号，甚至不影响和这种干扰频率重叠的有用信号频率成分。
附图说明
附图为：弱信号检测仪器中有用信号频带内工频谐波干扰抑制电路框图。
1主微处理器，2、4、6、14、16、17、20控制线，3从微处理器，5程控窄带滤波器，7DDS信号发生器，8减法器，9信号传感器，10前置放大器，11程控放大器，12锁相环，13输出信号包络检测器，15、23数据总线，18阻抗匹配网络，19宽带滤波器，21电源电容充电控制电路，22发射机
具体实施方式
下面结合附图和实施例作进一步详细说明：
主微处理器1和从微处理器3均采用AT89C51芯片，主微处理器1的P1口通过控制线2与从微处理器3连接，主微处理器1的P3口通过控制线16与从微处理器3连接，主微处理器1经电源电容充电控制电路21与发射机22连接，主微处理器1的P0口通过控制线20与K1连接，控制信号传感器9与阻抗匹配网络18的接通与断开，阻抗匹配网络18经前置放大器10、宽带滤波器19、程控窄带滤波器5和减法器8与程控放大器11连接，程控放大器11与输出信号包络检测器13连接，输出信号包络检测器13通过控制线14与从微处理器3的P1口连接，输出信号包络检测器13通过数据总线15与从微处理器3的P0口连接，程控放大器11经控制线17与从微处理器3的P3口连接，程控放大器11经锁相环12与DDS信号发生器7连接，DDS信号发生器7与减法器8连接，从微处理器3的P1口通过控制线6与DDS信号发生器7连接，从微处理器3的P3口通过控制线4与程控窄带滤波器5连接，从微处理器3的P1口通过数据线23与锁相环12锁定标志端连接。
检测仪器主微处理器1通过控制线2给从微处理器3发出跟踪有用信号频带内工频谐波干扰的命令，从微处理器3计算出有用信号频率，通过控制线4设定程控窄带滤波器5的中心频率，通过控制线6设定DDS信号发生器7初始输出幅度为零并将其加到减法器8的减信号输入端。信号传感器9接收的有用信号频带内的工频谐波干扰信号经阻抗匹配网络18前置放大器10、宽带滤波器19、程控窄带滤波器5、加至减法器8的被减信号输入端，再经减法器8和程控放大器11加入锁相环12，经过短暂的频率跟踪锁定过程，锁相环12跟踪锁定后给出锁定标志，从微处理器3检测到锁相环12跟踪锁定信号后设定DDS信号发生器7的输出信号频率为锁相环12跟踪锁定的干扰频率，初始相位为零，初始幅度为1毫伏的正弦波信号输出至减法器8经程控放大器11加入输出信号包络检测器13，从微处理器3通过控制线14给输出信号包络检测器13发出转换命令，由输出信号包络检测器13将输出信号包络转换为数字信号，通过数据总线15送给从微处理器3，从微处理器3调整DDS信号发生器7的输出工频谐波信号初始相位，先延后工频谐波信号初始相位1度，判断由输出信号包络检测器13送来的输出信号包络是否减小，如果减小则继续延后7输出的工频谐波信号初始相位，如果输出信号包络反而增大，则提前7输出的工频谐波信号初始相位，直到前后两次判断结果之差在误差允许的范围内为止。再增大7的输出工频谐波信号幅度1毫伏，判断由输出信号包络检测器13送来的输出信号包络是否减小，如果减小则继续增大7输出的工频谐波信号幅度，如果输出信号包络反而增大则减小7输出的工频谐波信号幅度，直到前后两次判断结果之差在误差允许的范围内为止。从微处理器3通过控制线6给DDS信号发生器7发出锁定输出工频谐波信号频率、初始相位和幅度的指令，从微处理器3通过控制总线16给主微处理器1发出工频谐波干扰跟踪结束指令。等待主微处理器1的下一个命令。其中DDS信号发生器7输出工频谐波信号初始幅度为1毫伏及调整工频谐波信号幅度1毫伏，可以由被检测有用信号大小数量级确定，如果被检测有用信号很弱，那么这两个“1毫伏”可以改为1微伏甚至更小。但这个值太小会使跟踪锁定时间变长。
以地面核磁共振找水仪为例，在每次激发核磁共振信号前需要给电源电容充电，这一充电过程需要数分钟时间，在这一时间里信号放大与采集部分是没有工作任务的，正好可以利用这一时间进行有用信号频带内的工频谐波干扰的搜索、跟踪和锁定工作，为检测核磁共振信号时滤除有用信号频带内的工频谐波干扰做好准备。主微处理器1在给电源电容充电控制电路21发出充电命令之前先通过控制线2给从微处理器3发出跟踪有用信号频带内工频谐波干扰的命令并通过控制线20设置开关K1导通，将信号传感器9接至放大器阻抗匹配网络18，然后再给电源电容21发出充电命令并等待从微处理器3发回工频谐波干扰跟踪结束指令。从微处理器3根据人工输入的拉莫尔频率或由人工输入的被测点纬度或地磁场强度计算出的拉莫尔频率，为程控窄带滤波器5的中心频率，从微处理器3通过控制线6设定DDS信号发生器7初始输出幅度为零，加至减法器8的减信号输入端。信号传感器9接收的拉莫尔频率附近的工频谐波干扰信号经阻抗匹配网络18、前置放大器10、宽带滤波器19、程控窄带滤波器5加至减法器8的被减信号输入端，再经减法器8和程控放大器11加入锁相环12，经过短暂的频率跟踪锁定过程，锁相环12跟踪锁定后给出锁定标志。从微处理器3通过数据线23检测到锁相环12跟踪锁定后，从微处理器3通过控制线6设定DDS信号发生器7的输出信号频率为锁相环12跟踪锁定的拉莫尔频率，初始相位为零，初始幅度为1毫伏，输出至减法器8，经程控放大器11加入输出信号包络检测器13，从微处理器3通过控制线14控制输出信号包络检测器13将输出信号包络转换为数字信号，通过数据总线15送给从微处理器3，从微处理器3调整DDS信号发生器7的输出工频谐波信号相位，先延后工频谐波信号相位1度，判断由输出信号包络检测器13送来的输出信号包络是否减小，如果减小则继续延后7输出的工频谐波信号相位，如果输出信号包络反而增大，则提前DDS信号发生器7输出的工频谐波信号相位，直到前后两次判断结果之差在误差允许的范围内为止。再增大DDS信号发生器7的输出工频谐波信号幅度1毫伏，判断由输出信号包络检测器13送来的输出信号包络是否减小，如果减小则继续增大7输出的工频谐波信号幅度，如果输出信号包络反而增大，则减小DDS信号发生器7输出的工频谐波信号幅度，直到前后两次判断结果之差在误差允许的范围内为止。从微处理器3通过控制线6给DDS信号发生器7发出锁定输出工频谐波信号频率、相位和幅度的指令，为接收核磁共振信号时从接收信号中减去有用信号频带内的工频谐波干扰成分作好准备。从微处理器3通过控制线16给主微处理器1发出工频谐波干扰跟踪结束指令，等待主微处理器1的下一个命令。主微处理器1通过控制线20设置开关K1关断，为发射核磁共振激发信号作好准备。

Claims (1)

1、一种弱信号检测仪器中有用信号频带内工频谐波干扰抑制电路，其特征在于，主微处理器(1)通过控制线(2)和(16)连接从微处理器(3)，主微处理器(1)经电源电容充电控制电路(21)与发射机(22)连接，主微处理器(1)通过控制线(20)与K1连接，控制信号传感器(9)与阻抗匹配网络(18)的接通与断开，阻抗匹配网络(18)经前置放大器(10)、宽带滤波器(19)、程控窄带滤波器(5)和减法器(8)与程控放大器(11)连接，程控放大器(11)与输出信号包络检测器(13)连接，输出信号包络检测器(13)通过控制线(14)和数据总线(15)与从微处理器(3)连接，程控放大器(11)经控制线(17)与从微处理器(3)连接，程控放大器(11)经锁相环(12)与DDS信号发生器(7)连接，DDS信号发生器(7)与减法器(8)连接，从微处理器(3)通过控制线(6)与DDS信号发生器(7)连接，从微处理器(3)通过控制线(4)与程控窄带滤波器(5)连接，从微处理器(3)通过数据线(23)与锁相环(12)锁定标志端连接。
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