丛森 孟兆新
【摘要】根据同频相关原理设计了一种矢量信号检测电路，该电路用模拟电路和数字电路实现了被测正弦信号与同频正弦、余弦函数间的互相关，能够检测出和基准信号同频的信号振幅和相位，并给出了实验测试结果。
【关键词】相关分析;矢量检测;滤波器
Abstract：based on the correlation analysis，a kind of detect circuit is designed.The circuit realizes the measurement of the sine signal with the same frequency of the basis signal.It can measure the amplitude and phase of the signall.The experiment test results has been given in the paper.
Keywords：correlation analysis;the vector detect;filter
工程中要测试的信号中往往含有各种干扰，采用了基于硬件相关技术滤除干扰和检测与基准信号同频的信号的幅值及相位信息。本文提出的基于硬件相关的矢量检测方法中，测量设备为数字集成电路，测试精度高，使用方便。这种方法可以用于从噪声背景下提取有用的正弦信号，也可以用于动平衡测试和机械装置频响函数的测试，相对于其他的检测方法，这种方法它的特点是使用方便，检测数据快速、准确、稳定。
图1 同频相关电路原理框图
图2 信号相关器原理图
图3 二阶低通滤波器原理图
1.同频相关电路原理
设计同频相关电路的基本原理是基于相关分析原理，即互相关函数同频相关，不同频不相关[2]。利用这种性质来消除掉信号中的干扰，提取有用的信息。
设x（t）表示所测信号，其函数表达式是，使其分别与同频余弦信号和同频正弦信号互相关，经整周期积分平均后（低通滤波处理），互相关函数中的都会被滤掉，这样就只剩和这两个常量，令：，通过求解：，便可求出信号x（t）的相角和幅值A。
2.同频相关电路设计
用模拟电路和数字电路实现同频相关电路原理框图如图1所示。
2.1 信号倍频器
设基准信号的频率为f0，信号倍频器将基准信号的频率f0倍频成为f0，2f0，4f0，8f0，16f0，32f0和64f0这7个频率，其中信号频率分别为f0，2f0，4f0，8f0，16f0，32f0这六路信号经电平转换器转换后送到余弦信号发生器和正弦信号发生器，作为存储器寻址信号，使存储器发出余弦数字信号和正弦数字信号。频率为64f0的信号也经电平转换器转换后送到单稳触发器，产生窄脉冲信号，作为D/A转换器的锁存信号。
2.2 正、余弦信号发生器
正、余弦信号发生器各由一片只读存储器UVEPROM组成，选用芯片型号为Intel 2764。把正、余弦信号在一个周期内均分成64份，则每份的角度=360o/64=5.625o，然后通过式（1）和式（2）：
（1）
（2）
计算出正弦信号和余弦信号在这64个点的值，分别转换成二进制数后用编程器从首位存储单元开始依次顺序写入到2764中。经电平转换后的频率分别为f0，2f0，4f0，8f0，16f0，32f0的六路信号与2764的A5，A4，A3，A2，A1，A06条地址线相连接，这样各频率信号依次寻址使存储器中储存的数据依次放出，从而产生模拟的正弦数字信号和余弦数字信号。
2.3 信号相关器
信号相关器是本电路实现数学相关运算的核心，它是一个性能优良、结构简单的信号相关器，它有一片D/A转换器DAC0832和一片型号为CA3140的运算放大器组成，工作原理如图2所示。
图2中VREF为D/A转换器的参考电压，由x（t）的有效值确定，窄脉冲信號作为D/A转换器的锁存信号，锁存由信号发生器送来的数据，使其与x（t）相乘，实现数学相关[3]。由于DAC0832是8位的D/A转换器，由公式（3）：
（3）
可得输出电压VOUT与输入数字量的关系式为：
（4）
通过式（4）可实现数学相关表达式，表示式为式（5）和式（6）：
（5）
（6）
从式（5）和式（6）可看出相关函数中包含有与基准信号同频的信号x（t）的幅值A和，从而实现矢量的检测。
2.4 滤波器
在电路中所设计的滤波器为二阶有源低通滤波器，它能有效地滤掉噪声和抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号顺利通过[4]，其工作原理如图3所示。
3.实验结果
为了验证在不同幅值和不同频率下的工作性能，进行如下两项实验。其一当基准信号频率f保持不变时，检测现场信号x（t）的有效值V与其幅值A成线性变化，和其相角保持性。实验结果为：在变化过程中，最大角度误差小于0.2o。
其二，当现场信号x（t）的有效值V保持不变时，改变基准信号的频率，检测幅值和相角的变化。结果表明x（t）的幅值A变化的最大误差度为3%，相角误差小于2o。该电路可检测频率范围为1Hz～300Hz、幅值范围为0.01V～6.99V的待测信号。
参考文献
[1]贝达特.皮索尔.相关分析和谱分析的工程应用[M].北京：国防工业出版社，1993.
[2]黄长艺，严普强.机械工程测试技术基础[M].北京：机械工业出版社，1995.
[3]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社，2003.
[4]秦曾煌.电工学（电子技术）[M].北京：高等教育出版社，1999.
