一种随机共振噪声滤除与微弱周期信号检出电路

摘要

本发明涉及一种随机共振噪声滤除与微弱周期信号检出电路。本发明电路包括信号放大电路、求和积分电路、比较反馈电路。信号放大电路包括两个运算放大器、一个可变电阻和两个接地电阻；求和积分电路包括求和运算放大器、积分运算放大器、两个接地电阻和一个积分器电容，积分运算放大器的输出端与积分器电容连接作为信号输出端；比较反馈电路包括六个比较器、两个反向器、一个运算放大器、六个可变电阻和三个接地电阻。本发明可以将含噪声电信号中的微弱周期脉冲信号显著增强、噪声成分明显减弱，实现在强噪声背景下提取出有用的微弱电信号。

说明书

技术领域

本发明属于电子信号处理领域，涉及一种电路，具体是一种随机共振噪声滤除与微弱周期信号检出电路。

背景技术

对含噪声信号的处理传统方法是通过滤波器进行滤波。但是，滤波器只能对一定频段的信号进行滤除。例如：低通滤波器使低频段信号通过，滤除高频段信号。高通滤波器使高频段信号通过，滤除低频段信号。这种技术很难利用噪声能量使强噪声中的有用信号增强，使噪声衰减，并将同一频段的有用信号和噪声分离，从而提取出有用信号。而基于随机共振原理的非线性滤波方法，可以利用噪声能量使信号得到增强，提高信噪比，将淹没在噪声背景中的微弱信号提取出来，所以，在故障检测、生物信号提取、图像与语音信息识别、方位估计等领域都有广泛的应用前景。

随机共振的现象最初是由Benzi等科学家发现的，即：当对一个非线性连续双稳系统模型同时输入微弱的周期信号和噪声信号时，在合适的参数条件下，当噪声增强到某一强度时，信噪比不仅不会降低，相反输出信号会得到显著增强，这种现象被称为“随机共振“现象。基于随机共振原理的信号处理方法是一种全新的信号处理方法。目前，随机共振原理的信号处理主要以连续双稳系统数学模型为核心。在信号检测时，待测信号往往是不能调节的，需要调解参数达到最好的信号检测效果。但这种连续双稳模型参数之间关系复杂，这为迅速调节参数带来困难。

我们提出了一种分段线性随机共振数学模型。该模型具有参数调节关系简单，易于对不同频率信号实现随机共振的特点。

该模型为：

其中，t代表时间，表示x(t)求导数，x(t)为处理后的输出信号，a、b、c为实参数，且a＞b＞0，c＞0；S(t)＝K·s(t)，K是放大系数，

s(t)是待检测含噪声信号，s(t)＝H(t)+η(t)，H(t)表示待检测输入信号，η(t)表示噪声信号；

该模型特征值与参数的关系是：阱底位于x＝±b处，势垒高度ΔU＝c，左右两外侧线段与横坐标轴交与显而易见，特征值与参数之间是一一对应的关系，调节其中一个参数只会影响一个特征。要改变势垒高度，只需调节参数c。参数c的改变只影响势垒高度，不会影响阱底位置等其他特征。这对于参数的调节具有明显的优越性。

发明内容

本发明的目的就是提供一种随机共振噪声滤除与微弱周期信号检出电路，该电路根据上述(1)式随机共振分段线性数学模型设计，可以将强噪声中的微弱周期信号显著增强，噪声成分明显减弱，能够在强噪声背景下提取出有用微弱电信号。

本发明电路包括信号放大电路、求和积分电路、比较反馈电路。

信号放大电路包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一可变电阻R101、第一接地电阻R201、第二接地电阻R202。第一电阻R1的一端与待测信号输入端连接，第一运算放大器U1的反向输入端与第一电阻R1的另一端以及第二电阻R2的一端连接，第一运算放大器U1的同相输入端与第一接地电阻R201的一端连接，第一接地电阻R201的另一端接地，第一运算放大器U1的输出端与第二电阻R2的另一端以及第三电阻R3的一端连接；第二运算放大器U2的反向输入端与第三电阻R3的另一端以及第一可变电阻R101的固定端连接，第二运算放大器U2的同向输入端与第二接地电阻R202的一端连接，第二接地电阻R202的另一端接地，第二运算放大器U2的输出端与第一可变电阻R101的可调端连接。

求和积分电路包括求和运算放大器U3、积分运算放大器U4、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第三接地电阻R203、第四接地电阻R204、积分器电容C1。求和运算放大器U3的反向输入端与第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端以及第六电阻R6的一端连接，第四电阻R4的另一端与第二运算放大器U2的输出端连接，求和运算放大器U3的同向输入端与第三接地电阻R203的一端连接，第三接地电阻R203的另一端接地，求和运算放大器U3的输出端与第六电阻R6的另一端以及第七电阻R7的一端连接；积分运算放大器U4的反向输入端与第七电阻R7的另一端以及积分器电容C1的一端连接，积分运算放大器U4的同向输入端与第四接地电阻R204的一端连接，第四接地电阻R204的另一端接地，积分运算放大器U4的输出端与积分器电容C1的另一端连接，该端作为信号输出端。

比较反馈电路包括第一比较器B1、第二比较器B2、第三比较器B3、第四比较器B4、第五比较器B5、第六比较器B6、第一反向器F1、第二反向器F2、运算放大器U5、第二可变电阻R102、第三可变电阻R103、第四可变电阻R104、第五可变电阻R105、第六可变电阻R106、第七可变电阻R107、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第五接地电阻R205、第六接地电阻R206、第七接地电阻R207。第二可变电阻R102的一个固定端与正电源连接、另一个固定端接地，第三可变电阻R103的一个固定端与负电源连接、另一个固定端接地。

第八电阻R8的一端与第一比较器B1的同向输入端连接、第十一电阻R11的一端与第二比较器B2的反向输入端连接、第十二电阻R12的一端与第三比较器B3的同向输入端连接、第十五电阻R15的一端与第四比较器B4的反向输入端连接、第十六电阻R16的一端与第五比较器B5的同向输入端连接、第十九电阻R19的一端与第六比较器B6的反向输入端连接，第八电阻R8的另一端、第十一电阻R11的另一端、第十二电阻R12的另一端、第十五电阻R15的另一端、第十六电阻R16的另一端、十九电阻R19的另一端均与积分运算放大器U4的输出端连接；第九电阻R9的一端与第一比较器B1的反向输入端连接、第十电阻R10的一端与第二比较器B2的同向输入端连接，第九电阻R9的另一端以及第十电阻R10的另一端与第二可变电阻R102的可调端连接；第十七电阻R17的一端与第五比较器B5的反向输入端连接、第十八电阻R18的一端与第六比较器B6的同向输入端连接，第十七电阻R17的另一端以及第十八电阻R18的另一端与第三可变电阻R103的可调端连接；第十三电阻R13的一端与第三比较器B3的反向输入端连接、第十四电阻R14与第四比较器B4的同向输入端连接，第十三电阻R13的另一端和第十四电阻R14的另一端接地。第一比较器B1的输出端与第四可变电阻R104的可调端连接，第二比较器B2的输出端与第二十电阻R20的一端连接，第三比较器B3的输出端与第二十一电阻R21的一端连接，第四比较器B4的输出端和第五比较器B5的输出端与第六可变电阻R106的可调端连接，第六比较器B6的输出端与第二十二电阻R22的一端连接；

第一反向器F1的反向输入端与第二十电阻R20的另一端、第二十一电阻R21的另一端以及第二十三电阻R23的一端连接，第一反向器F1的同向输入端与第五接地电阻R205的一端连接，第五接地电阻R205的另一端接地，第一反向器F1的输出端与第二十三电阻R23的另一端以及第六可变电阻R106的可调端连接；

第二反向器F2的反向输入端与第二十二电阻R22的另一端以及第二十四电阻R24的一端连接，第二反向器F2的同向输入端与第六接地电阻R206的一端连接，第六接地电阻R206的另一端接地，第二反向器F2的输出端与第二十四电阻R24的另一端以及第七可变电阻R107的可调端连接；

运算放大器U5的反向输入端与第四可变电阻R104的固定端、第五可变电阻R105的固定端、第六可变电阻R106的固定端、第七可变电阻R107的固定端以及第二十五电阻R25的一端连接，运算放大器U5的同向输入端与第七接地电阻R207的一端连接，第七接地电阻R207的另一端接地，运算放大器U5的输出端与第二十五电阻R25的另一端以及第五电阻R5的另一端连接，构成反馈回路。

上述的比较反馈电路中，第一比较器B1和第六比较器B6均为单电源供电，当同向输入端信号大于反向输入端信号时，输出为正高电平，反之为0；第二比较器B2、第三比较器B3、第四比较器B4和第五比较器B5均为正负双电源供电，当同向输入端信号大于反向输入端信号时，输出为正高电平，反之为负高电平。

本发明的电路工作原理是：

待测的含噪声信号s(t)经信号输入端输入，经信号放大电路放大后得到S(t)＝K·s(t)，S(t)与比较反馈电路的反馈信号U′经求和运算放大器U3求和，该求和器的输出再送入积分器U4积分得输出信号x(t)，x(t)即为处理后的信号；

反馈信号U′由比较反馈电路产生，比较反馈电路的输入信号是x(t)，可变电阻R102的可调端提供比较基准电压+b，可变电阻R103的可调端提供比较基准电压-b，电源地端提供比较基准电压0。

比较反馈电路包含四个反馈选择通道，任一时刻只有一个通道被选通，是否选通由x(t)与基准电压比较决定，第一反馈选择通路由比较器B1控制选择通道的选通与否，只有当x(t)≥b时，比较器B1才输出高电平，经U5放大输出$U^{\prime }=-\frac{c}{a-b};$第二反馈选择通路由比较器B2和B3控制选择通道的选通与否，只有当0≤x(t)＜b时，比较器B2和B3才同时输出正高电平，经反向器F1和放大器U5输出$U^{\prime }=\frac{c}{b};$第三反馈选择通路由比较器B4和B5控制选择通道的选通与否，只有当-b≤x(t)＜0时，比较器B4和B5才同时输出正高电平，经放大器U5输出$U^{\prime }=-\frac{c}{b};$第四反馈选择通路由比较器B6控制选择通道的选通与否，只有当x(t)＜-b时，比较器B6才输出高电平，经U5放大输出$U^{\prime }=\frac{c}{a-b}.$

本发明提供了一种随机共振电路，将待测的含噪声电信号输入该电路，不仅可以将淹没在强噪声中的有用信号增强，使噪声显著减弱，实现从强噪声背景中提取出微弱信号的目的，而且该电路还具有参数易于调节的特点。该电路可以应用于许多应用场合。现实中许多应用场合都需要检测和提取淹没在噪声中的周期信号。如在机械设备中，由于间隙、磨损、微小的裂纹等因素，在故障早期往往存在淹没在噪声中的微弱的周期脉冲信号。生物信息如呼吸，心跳等也往往是一种周期信号。该电路装置可以直接与传感器结合，构成检测仪器；可以构成非线性滤波器、便携与微型信号检测装置等。

附图说明

图1是本发明电路原理框图；

图2是本发明电路图；

图3是本发明实施例信号检测结果图；

图4是输入信号与输出信号在示波器上的比较显示图。

具体实施方式

根据(1)式和(2)式，将本发明电路原理表示成图1所示的反馈控制系统结构。该结构由放大、求和、积分以及比较反馈组成。结合图1电路原理，一种随机共振噪声滤除与微弱周期信号检出电路的电路图如图2所示，该电路包括信号放大电路、求和积分电路、比较反馈电路。

信号放大电路包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一可变电阻R101、第一接地电阻R201、第二接地电阻R202。第一电阻R1的一端与待测信号输入端连接，第一运算放大器U1的反向输入端与第一电阻R1的另一端以及第二电阻R2的一端连接，第一运算放大器U1的同相输入端与第一接地电阻R201的一端连接，第一接地电阻R201的另一端接地，第一运算放大器U1的输出端与第二电阻R2的另一端以及第三电阻R3的一端连接；第二运算放大器U2的反向输入端与第三电阻R3的另一端以及第一可变电阻R101的固定端连接，第二运算放大器U2的同向输入端与第二接地电阻R202的一端连接，第二接地电阻R202的另一端接地，第二运算放大器U2的输出端与第一可变电阻R101的可调端连接。

求和积分电路包括求和运算放大器U3、积分运算放大器U4、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第三接地电阻R203、第四接地电阻R204、积分器电容C1。求和运算放大器U3的反向输入端与第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端以及第六电阻R6的一端连接，第四电阻R4的另一端与第二运算放大器U2的输出端连接，求和运算放大器U3的同向输入端与第三接地电阻R203的一端连接，第三接地电阻R203的另一端接地，求和运算放大器U3的输出端与第六电阻R6的另一端以及第七电阻R7的一端连接；积分运算放大器U4的反向输入端与第七电阻R7的另一端以及积分器电容C1的一端连接，积分运算放大器U4的同向输入端与第四接地电阻R204的一端连接，第四接地电阻R204的另一端接地，积分运算放大器U4的输出端与积分器电容C1的另一端连接，该端作为信号输出端。

比较反馈电路包括第一比较器B1、第二比较器B2、第三比较器B3、第四比较器B4、第五比较器B5、第六比较器B6、第一反向器F1、第二反向器F2、运算放大器U5、第二可变电阻R102、第三可变电阻R103、第四可变电阻R104、第五可变电阻R105、第六可变电阻R106、第七可变电阻R107、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第五接地电阻R205、第六接地电阻R206、第七接地电阻R207。第二可变电阻R102的一个固定端与正电源连接、另一个固定端接地，第三可变电阻R103的一个固定端与负电源连接、另一个固定端接地。

第八电阻R8的一端与第一比较器B1的同向输入端连接、第十一电阻R11的一端与第二比较器B2的反向输入端连接、第十二电阻R12的一端与第三比较器B3的同向输入端连接、第十五电阻R15的一端与第四比较器B4的反向输入端连接、第十六电阻R16的一端与第五比较器B5的同向输入端连接、第十九电阻R19的一端与第六比较器B6的反向输入端连接，第八电阻R8的另一端、第十一电阻R11的另一端、第十二电阻R12的另一端、第十五电阻R15的另一端、第十六电阻R16的另一端、十九电阻R19的另一端均与积分运算放大器U4的输出端连接；第九电阻R9的一端与第一比较器B1的反向输入端连接、第十电阻R10的一端与第二比较器B2的同向输入端连接，第九电阻R9的另一端以及第十电阻R10的另一端与第二可变电阻R102的可调端连接；第十七电阻R17的一端与第五比较器B5的反向输入端连接、第十八电阻R18的一端与第六比较器B6的同向输入端连接，第十七电阻R17的另一端以及第十八电阻R18的另一端与第三可变电阻R103的可调端连接；第十三电阻R13的一端与第三比较器B3的反向输入端连接、第十四电阻R14与第四比较器B4的同向输入端连接，第十三电阻R13的另一端和第十四电阻R14的另一端接地。第一比较器B1的输出端与第四可变电阻R104的可调端连接，第二比较器B2的输出端与第二十电阻R20的一端连接，第三比较器B3的输出端与第二十一电阻R21的一端连接，第四比较器B4的输出端和第五比较器B5的输出端与第六可变电阻R106的可调端连接，第六比较器B6的输出端与第二十二电阻R22的一端连接。

第一反向器F1的反向输入端与第二十电阻R20的另一端、第二十一电阻R21的另一端以及第二十三电阻R23的一端连接，第一反向器F1的同向输入端与第五接地电阻R205的一端连接，第五接地电阻R205的另一端接地，第一反向器F1的输出端与第二十三电阻R23的另一端以及第六可变电阻R106的可调端连接。

第二反向器F2的反向输入端与第二十二电阻R22的另一端以及第二十四电阻R24的一端连接，第二反向器F2的同向输入端与第六接地电阻R206的一端连接，第六接地电阻R206的另一端接地，第二反向器F2的输出端与第二十四电阻R24的另一端以及第七可变电阻R107的可调端连接。

运算放大器U5的反向输入端与第四可变电阻R104的固定端、第五可变电阻R105的固定端、第六可变电阻R106的固定端、第七可变电阻R107的固定端以及第二十五电阻R25的一端连接，运算放大器U5的同向输入端与第七接地电阻R207的一端连接，第七接地电阻R207的另一端接地，运算放大器U5的输出端与第二十五电阻R25的另一端以及第五电阻R5的另一端连接，构成反馈回路。

上述的比较反馈电路中，第一比较器B1和第六比较器B6均为单电源供电，当同向输入端信号大于反向输入端信号时，输出为正高电平，反之为0；第二比较器B2、第三比较器B3、第四比较器B4和第五比较器B5均为正负双电源供电，当同向输入端信号大于反向输入端信号时，输出为正高电平，反之为负高电平。

其中，实际含有噪声的待测信号经第一运算放大器U1的反向输入端输入，经U1、U2放大得S(t)；

U3为求和器，对输入信号S(t)和反馈信号U′进行求和得$\stackrel{·}{x}\left(t\right)=U^{\prime }+S\left(t\right).$

U4为积分器，对输入信号积分得x(t)；x(t)即为处理后的信号。

R102、R103分别提供±b比较电压。调节R102、R103，使R102、R103中间节点的电压分别为±b，供于比较器作为参考电压。

反馈选择通路主要由比较器组构成(图2中虚线框部分)。

选择通路1由比较器B1控制。比较器B1为单电源供电，用来检测x≥b的信号。当x≥b时，比较器B1输出为高电平U_max，反之为0，U_max经U5放大输出$U^{\prime }=-\frac{c}{a-b}.$

选择通路2由比较器B2和比较器B3控制。比较器B2和比较器B3为正负双电源供电，用来检测0≤x＜b的信号。当x＜b时，比较器B2输出为U_max，而当x≥b时，比较器B2输出为-U_max，当x≥0时，比较器B3输出为U_max，而当x＜0时，比较器B3输出为低电平-U_max，所以只有当0≤x＜b时，比较器B2和比较器B3共同作用的通路才能输出高电平，反之为0，经反向器F1和放大器U5输出$U^{\prime }=\frac{c}{b}.$

选择通路3由比较器B4和比较器B5控制。比较器B4和B5也是正负双电源供电，与选择通路3同理，用来检测-b≤x＜0的信号。只有当-b≤x(t)＜0时，比较器B4和B5才同时输出正高电平，经放大器U5输出$U^{\prime }=-\frac{c}{b}.$

选择通路4由比较器B6控制。比较器B6为单电源U_max供电，用来检测x＜-b的信号。当x＜-b时，比较器B6输出为U_max，反之为0，只有当x(t)＜-b时，比较器B6才输出高电平，经反向器F2和放大器U5放大输出$U^{\prime }=\frac{c}{a-b};$

一但确定了(1)式中参数a、b、c和K的取值，就可据此调节电阻值，使其满足要求，K可通过调节R101实现，参数a、b、c可通过调节电阻R104、R105、R106、R107和R25使其满足(2)式实现。本实施例取a＝2，b＝1，c＝0.5，K＝10。

本实施例电路实验结果参见图3，为了能够清楚地显示本电路的效果，特别用信号发生器产生标准的输入信号H(t)＝A₀cos(2πft)作为待测信号，A₀是余弦信号幅值，f是信号频率。将噪声信号η(t)与标准的输入信号H(t)相加s(t)＝H(t)+η(t)，送入输入端，将电路输出x(t)信号由数字示波器采集得到，并在计算机上画出。

图3中(b1)是A₀＝0.15V、f＝1HZ、噪声η(t)的强度D为0.15V时输入信号的波形图；(b2)是输出信号的波形图。

图3中(c1)是A₀＝0.15V、f＝1HZ、噪声η(t)的强度D为0.35V时输入信号的波形图；(c2)是输出信号的波形图。

图4是输入信号与输出信号在示波器上的对照显示图，振幅大的曲线为输出信号。

从图中可以看出该电路可以将噪声明显减弱，而将信号明显增强，达到从噪声背景中检测出弱周期信号的目的。