自动增益数字解调斩波放大方法及电路技术

本发明专利技术涉及一种自动增益数字解调斩波放大方法及电路，该方法包括：将电路输入端的低频信号通过斩波调制为高频交流信号；将高频交流信号进行隔离变压器放大、固定增益放大与可编程增益放大；将放大后的高频交流信号进行与斩波调制信号同步下的模数转换采样，高频交流信号的数字化；将数字化后的高频交流信号根据采样点筛选有效信号，进行信号平均滤波，完成数字解调；将数字解调后的信号进行滤波，获取信号幅值信息；将信号幅值信息与预设的增益控制阈值进行比较，判断是否进行增益调整；通过控制可编程增益放大电路调整增益。该方法可用于低频微弱信号的采集，有效提高低频微弱信号的测量范围，可用于低输入阻抗的微弱信号检测、放大与采集场合。

Method and circuit of automatic gain digital demodulation chopper amplification

【技术实现步骤摘要】
自动增益数字解调斩波放大方法及电路
本专利技术属于海洋电磁探测
，尤其涉及一种自动增益数字解调斩波放大方法及电路。
技术介绍
海洋电磁勘探方法分为天然场源(MarineMT，海洋大地电磁法)和人工场源(MarineCSEM，海洋可控源电磁法)。搭载在海底电磁采集站或拖曳式电场采集站上的电磁数据记录仪是海洋电磁勘探的关键装备之一，负责采集海底微弱的电场和磁场信号。微弱磁场信号通过超低噪声磁场传感器采集，磁场传感器本底噪声密度要求低于电场信号利用“固态不极化电极+超低噪声放大电路”采集，采集通道本底噪声密度要求低于而针对基于“固态不极化电极+超低噪声放大电路”的微弱电场信号检测、放大和采集方法中面临的主要关键问题是：1)放大电路的噪声；2)电场信号的测量范围。目前常用的“固态不极化电极+低噪声放大电路”的电场信号放大采集电路为固定增益模拟解调斩波放大电路，采用斩波调制放大方式以避免集成运放的1/f噪声，在A/D采样之前采用集成运放电路和滤波电路完成斩波调制信号的解调还原，采用一定的固定增益以抵消A/D采样噪声。该固定增益模拟解调斩波放大方法存在的主要问题为：1)采用基于集成运放和滤波电路的模拟解调方法，导致解调过程中的电路冲击噪声耦合到有效电场信号中，提高了放大电路的噪声，不利于微弱电场信号的采集；2)放大电路增益固定，导致了微弱信号有效检测需求和大信号检测不溢出需求之间的矛盾，尤其在人工场源的电磁勘探中，电场信号动态范围大，固定增益方式难以满足电场信号测量范围需求。针对固定增益模拟解调斩波放大方法的固定增益问题，部分海洋电磁勘探的电场信号采集采用了双增益放大电路，其中一个高增益放大弱信号，一个低增益放大强信号，该方法带来了电路体积、功耗和记录数据量问题。因此，针对上述的固定增益模拟解调斩波放大方法的问题，本专利技术提供了一种自动增益数字解调斩波放大方法，本专利技术可用于海洋微弱电场信号的采集，可推广应用于低输入阻抗的微弱信号检测、放大与采集场合。
技术实现思路
本专利技术针对上述固定增益模拟解调斩波放大方法的技术，提供了一种自动增益数字解调斩波放大方法及电路，采用自动增益放大，有效提高信号测量范围，采用数字解调，有效规避模拟解调的电路冲击噪声。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种自动增益数字解调斩波放大方法，包括：将电路输入端的低频信号通过斩波调制为高频交流信号；将高频交流信号进行隔离变压器放大、固定增益放大与可编程增益放大；将放大后的高频交流信号进行与斩波调制信号同步下的模数转换采样，实现高频交流信号的数字化；将数字化后的高频交流信号根据采样点筛选有效信号，进行信号平均滤波，完成数字解调；将数字解调后的信号进行滤波，获取信号幅值信息；将信号幅值信息与预设的增益控制阈值进行比较，判断是否进行增益调整；增益调整通过控制可编程增益放大电路实现。优选的，将放大后的高频交流信号进行与斩波调制信号同步下的模数转换采样，实现高频交流信号的数字化的方法为：斩波调制信号通过相位补偿后，作为模数转换采样的同步控制信号，实现高频交流信号的数字化。优选的，将数字化后的高频交流信号根据采样点筛选有效信号，进行信号平均滤波，完成数字解调的方法为：将放大后的高频交流信号根据斩波调制信号在每个正负半周上设置相同数量的采样点；舍去每个半周的第一个采样点与最后一个采样点数据，剩余采样点为有效采样点，将正半周和负半周相应的有效采样点分别进行累加后取平均值，确定为采样值，进行数字解调。优选的，将信号幅值信息与预设的增益控制阈值进行比较，判断是否进行增益调整的方法为：将增益分为多个增益片段等级，相邻的增益片段等级的增益值相差一倍，设定各片段等级的增益控制阈值；将信号幅值信息与增益控制阈值进行比较，判断信号幅值信息所在增益片段等级，根据所在增益片段等级的增益值判断是否进行增益调整。本专利技术还提供了一种自动增益数字解调斩波放大电路，采用所述的自动增益数字解调斩波放大方法，包括：前置模拟放大电路、信号采集电路、数字主控电路；所述前置模拟放大电路包括低噪声斩波调制模块、隔离变压器放大模块、固定增益放大模块、可编程增益放大模块；所述低噪声斩波调制模块输入侧接入输入信号，所述隔离变压器放大模块输入侧接入低噪声斩波调制模块输出端，所述固定增益放大模块串接至所述隔离变压器放大模块输出侧，可编程增益放大模块串接至所述固定增益放大模块输出端；信号输入端的低频信号经过低噪声斩波调制模块调制为高频交流信号，经隔离变压器放大模块、固定增益放大模块进行固定增益的信号放大，经可编程增益放大进行自动增益放大；所述信号采集电路接至可编程增益放大模块输出端，以采集可编程增益放大模块的输出信号，实现高频交流信号的数字化，并传输至数字主控电路；所述数字主控电路与信号采集电路、低噪声斩波调制模块、可编程增益放大模块连接，以控制低噪声斩波调制模块将低频信号调制为高频交流信号，并根据提取的可编程增益放大模块输出信号的幅值信息控制可编程增益放大模块进行自动增益放大。优选的，所述低噪声斩波调制模块采用桥式可逆斩波电路。优选的，所述隔离变压器放大模块采用小信号音频隔离变压器，采用差分方式接入低噪声斩波调制模块输出端；所述固定增益放大模块采用基于超低噪声集成运算放大器的有源带通同相放大电路，放大器“+”“-”输入端接至隔离变压器放大模块输出侧。优选的，所述可编程增益放大模块串联至固定增益放大模块输出端；所述可编程增益放大模块采用基于超低噪声集成运算放大器的可编程增益反相放大电路，其可编程增益采用高精度数模转换器控制反馈电阻阻值实现。优选的，所述信号采集电路采用多路同步模数转换器。优选的，所述数字主控电路包括斩波调制模块、同步采集模块、数字解调模块、信号幅值提取模块、自动增益控制模块、增益控制数模驱动模块；所述斩波调制模块与低噪声斩波调制模块连接，用于为所述前置模拟放大电路提供斩波调制信号，与同步采集模块连接，用于为同步采集模块提供同步信号；所述同步采集模块与所述信号采集电路连接，用于为信号采集电路提供硬件逻辑采样控制器，在斩波调制信号同步控制下通过信号采集电路实现信号同步采样；所述数字解调模块与同步采集模块连接，用于根据采样点筛选有效信号，进行信号平均滤波，完成数字解调；所述信号幅值提取模块用于将数字解调后的信号进行滤波，获取信号幅值；所述自动增益控制模块用于将信号幅值与增益控制阈值进行比较，判断是否进行增益调整；所述增益控制数模驱动模块用于驱动可编程增益放大模块根据调整的增益放大。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：(1)采用固定增益放大与可编程增益放大结合的两级放大方式，并根据提取的第二级放大电路的输出信号幅值信息自动控制可编程增益放大以实现自动增益控制。与固定增益方法相比，可有效提高信号测量范围；与双增益方法相比，在电路体积、功耗、记录数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自动增益数字解调斩波放大方法，其特征在于，包括：/n将电路输入端的低频信号通过斩波调制为高频交流信号；/n将高频交流信号进行隔离变压器放大、固定增益放大与可编程增益放大；/n将放大后的高频交流信号进行与斩波调制信号同步下的模数转换采样，实现高频交流信号的数字化；/n将数字化后的高频交流信号根据采样点筛选有效信号，进行信号平均滤波，完成数字解调；/n将数字解调后的信号进行滤波，获取信号幅值信息；/n将信号幅值信息与预设的增益控制阈值进行比较，判断是否进行增益调整；/n增益调整通过控制可编程增益放大电路实现。/n

【技术特征摘要】
1.一种自动增益数字解调斩波放大方法，其特征在于，包括：
将电路输入端的低频信号通过斩波调制为高频交流信号；
将高频交流信号进行隔离变压器放大、固定增益放大与可编程增益放大；
将放大后的高频交流信号进行与斩波调制信号同步下的模数转换采样，实现高频交流信号的数字化；
将数字化后的高频交流信号根据采样点筛选有效信号，进行信号平均滤波，完成数字解调；
将数字解调后的信号进行滤波，获取信号幅值信息；
将信号幅值信息与预设的增益控制阈值进行比较，判断是否进行增益调整；
增益调整通过控制可编程增益放大电路实现。


2.根据权利要求1所述的自动增益数字解调斩波放大方法，其特征在于，将放大后的高频交流信号进行与斩波调制信号同步下的模数转换采样，实现高频交流信号的数字化的方法为：
斩波调制信号通过相位补偿后，作为模数转换采样的同步控制信号，实现高频交流信号的数字化。


3.根据权利要求1或2所述的自动增益数字解调斩波放大方法，其特征在于，将数字化后的高频交流信号根据采样点筛选有效信号，进行信号平均滤波，完成数字解调的方法为：
将放大后的高频交流信号根据斩波调制信号在每个正负半周上设置相同数量的采样点；
舍去每个半周的第一个采样点与最后一个采样点数据，剩余采样点为有效采样点，将正半周和负半周相应的有效采样点分别进行累加后取平均值，确定为采样值，进行数字解调。


4.根据权利要求3所述的自动增益数字解调斩波放大方法，其特征在于，将信号幅值信息与预设的增益控制阈值进行比较，判断是否进行增益调整的方法为：
将增益分为多个增益片段等级，相邻的增益片段等级的增益值相差一倍，设定各片段等级的增益控制阈值；
将信号幅值信息与增益控制阈值进行比较，判断信号幅值信息所在增益片段等级，根据所在增益片段等级的增益值判断是否进行增益调整。


5.一种自动增益数字解调斩波放大电路，采用权利要求1-4任一项所述的自动增益数字解调斩波放大方法，其特征在于，包括：前置模拟放大电路、信号采集电路、数字主控电路；
所述前置模拟放大电路包括低噪声斩波调制模块、隔离变压器放大模块、固定增益放大模块、可编程增益放大模块；所述低噪声斩波调制模块输入侧接入输入信号，所述隔离变压器放大模块输入侧接入低噪声斩波调制模块输出端，所述固定增益放大模块串接至所述隔离变压器放大模块输出侧，可编程增益放大模块串接至所述固定增益放大模块输出端；信号输入端的低频信号经过低噪声斩波调制模块调制为高...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兰军，黎明，陈家林，王建国，李予国，裴建新，薛文萌，杨凡，王刚，刘贵豪，杨文哲，张世凯，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37