專利名稱：基于帳篷映射模型的信號(hào)放大電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微弱信號(hào)檢測(cè)與處理領(lǐng)域。特別是針對(duì)強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)，根 據(jù)混沌運(yùn)動(dòng)的基本特征及混沌映射之一的帳篷映射模型而設(shè)計(jì)的一種信號(hào)放大電路。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的信號(hào)放大方法是建立在線性放大原理上的，在信號(hào)放大中發(fā)揮著十分重要 的作用。線性放大原理在一定的線性范圍內(nèi)容易實(shí)現(xiàn)不失真放大，然而當(dāng)信號(hào)中含有噪聲 時(shí)，線性放大器在放大有用信號(hào)的同時(shí)噪聲以及測(cè)量誤差也會(huì)被成比例的放大，從而影響 放大效果，而且放大倍數(shù)常常受到系統(tǒng)線性工作范圍的限制。利用混沌理論進(jìn)行信號(hào)檢測(cè) 與放大，尤其是微弱信號(hào)的檢測(cè)與放大可以改善上述不足?；煦邕\(yùn)動(dòng)的最大特點(diǎn)之一就是對(duì)初值的敏感依賴性，即混沌系統(tǒng) 中初值若有一個(gè) 微小的變化就會(huì)引起運(yùn)動(dòng)軌道的巨大變化。利用這一特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出初值與混沌軌道具 有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型及測(cè)量放大系統(tǒng)，只要能將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為混沌式測(cè)量系統(tǒng)的 初值就可以實(shí)現(xiàn)在有限區(qū)間內(nèi)對(duì)微弱信號(hào)的放大，而且信號(hào)放大倍數(shù)不受限制，靈敏度高， 抗干擾能力強(qiáng)。因此，這一特點(diǎn)為微弱信號(hào)的檢測(cè)與處理提供了一種有應(yīng)用價(jià)值的前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于帳篷映射模型的信號(hào)放大電路。本 發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為基于帳篷映射模型的信號(hào)放大電路包括信號(hào)輸出模塊、主控模塊、通信模塊和電 源模塊，主控模塊的輸出端與信號(hào)輸出模塊連接，通信模塊與主控模塊信號(hào)連接，電源模塊 為信號(hào)輸出模塊、主控模塊和通信模塊提供電源。所述的主控模塊包括單片機(jī)U1，單片機(jī)Ul的39腳與第一接插件Pl的1腳、第一 電容C17的一端連接，第一電容C17的另一端、第一接插件Pl的2腳接地。單片機(jī)Ul的38 腳與第二接插件P2的1腳、第二電容C18的一端連接，第二電容C18的另一端、第二接插件 P2的2腳接地。接插件Pl和接插件P2作為信號(hào)輸入端，由單片機(jī)Ul采集38腳和39腳的 信號(hào)。單片機(jī)Ul的9腳與電源模塊中的第一電阻Rl的一端、第三電容Cl的負(fù)端連接；第 一電阻Rl的另一端接地，第三電容Cl的正端接+5V電源。單片機(jī)Ul的18腳與晶振Yl的 一端、第四電容C5的一端連接，單片機(jī)Ul的19腳與晶振Yl的另一端、第五電容C4的一端 連接。第四電容C5的另一端、第五電容C4的另一端接地。所述的信號(hào)輸出模塊包括鎖存器U3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4和運(yùn)算放大器U5。鎖存器U3 的3腳、4腳、7腳、8腳、13腳、14腳、17腳和18腳分別與單片機(jī)Ul的21腳、22腳、23腳、 24腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接，鎖存器U3的11腳與單片機(jī)Ul的30腳連接，鎖存器 U3的1腳接地、鎖存器U3的20腳接電源。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的1腳、17腳與鎖存器U3的2腳連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的2腳、18 腳與單片機(jī)Ul的16腳連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的4腳、5腳、6腳、7腳、16腳、15腳、14腳、13腳分別與單片機(jī)Ul的24腳、23腳、22腳、21腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換器 U4的3腳、10腳、12腳接地，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的8腳與+5V電源、第六電容ClO的正端、第七 電容Cll的一端連接，第六電容ClO的負(fù)端、第七電容Cll的另一端接地。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4 的19腳、20腳與+5V電源、第八電容C7的正端、第九電容C6的一端連接，第八電容C7的負(fù) 端、第九電容C6的另一端接地。運(yùn)算放大器TO的反向輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的11腳連接，正向輸入端接地，輸 出端與第二電阻R2的一端連接，第二電阻R2的另一端接數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的9腳。第三接插 件P3的1腳與第十電容C19的一端、運(yùn)算放大器TO的輸出端連 接，第十電容C19的另一端、 第三接插件P3的2腳接地。所述的通信模塊包括通信芯片U2，通信芯片U2的1腳與第十一電容C12的一端連 接，第十一電容C12的另一端接通信芯片U2的3腳；通信芯片U2的4腳與第十二電容C13 的一端連接，第十二電容C13的另一端接通信芯片U2的5腳；通信芯片U2的11腳接單片 機(jī)Ul的11腳；通信芯片U2的12腳接單片機(jī)Ul的10腳。通信芯片U2的16腳、第十三電 容C14的負(fù)端、第十四電容C16的正端接+5V電源；第十三電容C14的正端接通信芯片U2 的2腳，第十四電容C16的負(fù)端接地。通信芯片U2的14腳接串口 J2的2腳，通信芯片U2 的13腳接串口 J2的3腳，通信芯片U2的6腳與第十四電容C15的負(fù)端連接，第十五電容 C15的正端接地。開關(guān)Sl的輸出端、第三電阻R3的一端、第十六電容C2的正端、第十七電容C3的 一端接+5V電源，第三電阻R3的另一端與發(fā)光二極管Dl的正端連接，發(fā)光二極管Dl的負(fù) 端接地，第十六電容C2的負(fù)端、第十七電容C3的另一端接地。第十八電容C8的正端、第十九電容C9的一端、運(yùn)算放大器TO的供電端接+5V電 源，第十八電容C8的負(fù)端、第十九電容C9的另一端接地。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明利用混沌運(yùn)動(dòng)的最大特點(diǎn)之一的初值的敏感依賴性設(shè) 計(jì)出初值與混沌軌道具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型及測(cè)量放大電路，只要能將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn) 換為混沌式測(cè)量系統(tǒng)的初值就可以實(shí)現(xiàn)在有限區(qū)間內(nèi)對(duì)微弱信號(hào)的放大，而且信號(hào)放大倍 數(shù)不受限制，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明主控模塊電路圖；圖2為本發(fā)明信號(hào)輸出模塊電路圖；圖3為通信模塊電路圖；圖4為附屬電路圖；圖5為帶噪聲的幅值為0. 001的正弦信號(hào)經(jīng)發(fā)明電路放大后的結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明?；趲づ裼成淠Ｐ偷男盘?hào)放大電路包括信號(hào)輸出模塊、主控模塊、通信模塊和電 源模塊，主控模塊的輸出端與信號(hào)輸出模塊連接，通信模塊與主控模塊信號(hào)連接，電源模塊 為信號(hào)輸出模塊、主控模塊和通信模塊提供電源。
如圖1所示，主控模塊包括單片機(jī)U1，單片機(jī)Ul的39腳與第一接插件Pl的 1腳、第一電容C17的一端連接，第一電容C17的另一端、第一接插件Pl的2腳接地。 STC12C5A60S2單片機(jī)Ul的38腳與第二接插件P2的1腳、第二電容C18的一端連接，第二 電容C18的另一端、第二接插件P2的2腳接地。接插件Pl和接插件P2作為信號(hào)輸入端， 由單片機(jī)Ul采集38腳和39腳的信號(hào)。單片機(jī)Ul的9腳與電源模塊中的第一電阻Rl的 一端、第三電容Cl的負(fù)端連接；第一電阻Rl的另一端接地，第三電容Cl的正端接+5V電 源。單片機(jī)Ul的18腳與晶振Yl的一端、第四電容C5的一端連接，單片機(jī)Ul的19腳與晶 振Yl的另一端、第五電容C4的一端連接。第四電容C5的另一端、第五電容C4的另一端接 地。單片機(jī)Ul的型號(hào)為STC12C5A60S2。如圖2所示，信號(hào)輸出模塊包括鎖存器U3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4和運(yùn)算放大器TO。鎖存 器U3的3腳、4腳、7腳、8腳、13腳、14腳、17腳和18腳分別與單片機(jī)Ul的21腳、22腳、23 腳、24腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接，鎖存器U3的11腳與單片機(jī)Ul的30腳連接，鎖存 器U3的1腳接地、鎖存器U3的20腳接電源。鎖存器U3的型號(hào)為SN74S373JB(20)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的1腳、17腳與鎖存器U3的2腳連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的2腳、18 腳與單片機(jī)Ul的16腳連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的4腳、5腳、6腳、7腳、16腳、15腳、14腳、13 腳分別與單片機(jī)Ul的24腳、23腳、22腳、21腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換器 U4的3腳、10腳、12腳接地，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的8腳與+5V電源、第六電容ClO的正端、第七 電容Cll的一端連接，第六電容ClO的負(fù)端、第七電容Cll的另一端接地。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4 的19腳、20腳與+5V電源、第八電容C7的正端、第九電容C6的一端連接，第八電容C7的負(fù) 端 、第九電容C6的另一端接地。數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的型號(hào)為DAC0832。運(yùn)算放大器TO的反向輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的11腳連接，正向輸入端接地，輸 出端與第二電阻R2的一端連接，第二電阻R2的另一端接數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的9腳。第三接插 件P3的1腳與第十電容C19的一端、運(yùn)算放大器TO的輸出端連接，第十電容C19的另一端、 第三接插件P3的2腳接地。運(yùn)算放大器U5的型號(hào)為L(zhǎng)M324。如圖3所示，通信模塊包括通信芯片U2，通信芯片U2的1腳與第十一電容C12的 一端連接，第十一電容C12的另一端接通信芯片U2的3腳；通信芯片U2的4腳與第十二電 容C13的一端連接，第十二電容C13的另一端接通信芯片U2的5腳；通信芯片U2的11腳 接單片機(jī)Ul的11腳；通信芯片U2的12腳接單片機(jī)Ul的10腳。通信芯片U2的16腳、第 十三電容C14的負(fù)端、第十四電容C16的正端接+5V電源；第十三電容C14的正端接通信芯 片U2的2腳，第十四電容C16的負(fù)端接地。通信芯片U2的14腳接串口 J2的2腳，通信芯 片U2的13腳接串口 J2的3腳，通信芯片U2的6腳與第十四電容C15的負(fù)端連接，第十五 電容C15的正端接地。通信芯片U2的型號(hào)為MAX232ACPE。如圖4所示，開關(guān)Sl的輸出端、第三電阻R3的一端、第十六電容C2的正端、第十七 電容C3的一端接+5V電源，第三電阻R3的另一端與發(fā)光二極管Dl的正端連接，發(fā)光二極 管Dl的負(fù)端接地，第十六電容C2的負(fù)端、第十七電容C3的另一端接地。第十八電容C8的 正端、第十九電容C9的一端、運(yùn)算放大器U5的供電端接+5V電源，第十八電容C8的負(fù)端、 第十九電容C9的另一端接地。該部分電路只要用于指示整個(gè)放大電路的工作狀態(tài)和對(duì)外 接的+5V電源起到濾波作用。以下進(jìn)一步描述該信號(hào)放大電路
在復(fù)位電路中，第一電阻Rl給第三電容Cl充電，第三電容Cl的電壓緩慢上升直 到Vcc，沒到Vcc時(shí)芯片復(fù)位腳近似低電平，于是芯片復(fù)位，接近Vcc時(shí)芯片復(fù)位腳接近高電 平，于是芯片停止復(fù)位，復(fù)位完成。電容02，03，(10，(11，06，07，08，09均屬于電源電容。其中，第十六電容C2，第八 電容C7，第六電容C10，第十八電容C8屬于電解電容，既有濾除低頻信號(hào)的作用又有去耦的 作用，它們把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。它們有很大的電感成 份，所以頻率高后反而阻抗會(huì)增大。而與它們并聯(lián)的小電容第十七電容C3，第七電容C11， 第九電容C6，第十九電容C9濾高頻信號(hào)。晶振電容第五電容C4，第四電容C5會(huì)影響到晶振的諧振頻率和輸出幅度，晶振引 腳可以等效為電容三點(diǎn)式振蕩器。石英晶體也連接在晶振引腳的輸入和輸出之間，等效為 一個(gè)并聯(lián)諧振回路，振蕩頻率應(yīng)該是石英晶體的并聯(lián)諧振頻率。晶體旁邊的兩個(gè)電容接地， 實(shí)際上就是電容三點(diǎn)式電路的分壓電容，接地點(diǎn)就是分壓點(diǎn)。以接地點(diǎn)即分壓點(diǎn)為參考點(diǎn)， 振蕩引腳的輸入和輸出是反相的，但從并聯(lián)諧振回路即石英晶體兩端來看，形成一個(gè)正反 饋以保證電路持續(xù)振蕩這兩個(gè)電容串聯(lián)的值是并聯(lián)在諧振回路上的，會(huì)影響振蕩頻率。當(dāng) 兩個(gè)電容量相等時(shí)，反饋系數(shù)是0.5，一般可以滿足振蕩條件。電路的具體運(yùn)行過程為
從信號(hào)源得到的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)后由控制器進(jìn)行信號(hào)處 理。模擬信號(hào)經(jīng)Pl. 0和Pl. 1 口輸入STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換(采樣時(shí)間為 0. Ols)，由寄存器保存并由從串口輸入的單片機(jī)程序控制完成相應(yīng)的算法。對(duì)于每個(gè)采樣 點(diǎn)，首先將單片機(jī)及D/A上所有硬件(包括相應(yīng)寄存器、看門狗及中斷)初始化；隨后打開 定時(shí)器，由于采樣模擬信號(hào)時(shí)間間隔為0. Ols,因此設(shè)定定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為0. Ols,采用定 時(shí)中斷的方式。定時(shí)器打開的具體工作流程為關(guān)中斷——設(shè)定時(shí)器初值——開中斷—— 定時(shí)器打開，定時(shí)器設(shè)置為定時(shí)器T0，工作方式1 (此工作方式允許16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工 作)。在定時(shí)器打開的同時(shí)A/D開始按照預(yù)先設(shè)置的采樣間隔對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并等待 直至對(duì)該采樣點(diǎn)采樣完畢后送至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)推斷，每個(gè)采樣點(diǎn)運(yùn)算處理時(shí) 間遠(yuǎn)不及采樣間隔0.01s，故當(dāng)采樣點(diǎn)采樣完畢后，判斷是否經(jīng)歷0.01s，若沒達(dá)到該時(shí)間 間隔，則處于等待狀態(tài)；若達(dá)到0. 01s，則進(jìn)行開定時(shí)器進(jìn)行下一點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣。依此步驟 不斷循環(huán)，直至運(yùn)行完所有采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)算。在D/A轉(zhuǎn)換是根據(jù)相應(yīng)帳篷映射算法構(gòu)造出來的。D/A轉(zhuǎn)換具體的步驟為將片選 信號(hào)輸入線&置低電平，選中D/A轉(zhuǎn)換芯片。再將數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線:^置低電 平，允許數(shù)據(jù)從輸入鎖存器傳輸至DAC鎖存器。隨后分別用將輸入鎖存器寫選通輸入線· 和DAC寄存器寫選通信號(hào)輸入線.置低電平。使得信號(hào)先由數(shù)據(jù)線進(jìn)入輸入鎖存器，再 由輸入鎖存器進(jìn)入DAC鎖存器，同時(shí)進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器并開始轉(zhuǎn)換，并在示波器上顯示結(jié)果。從圖5可以看出，經(jīng)過帳篷映射放大系統(tǒng)的信號(hào)被放大的同時(shí)，信號(hào)中的噪聲得 到了明顯的抑制。其原因是對(duì)于帳篷映射放大系統(tǒng)，輸入與輸出一一對(duì)應(yīng)的迭代關(guān)系可以 選在中低頻有界帶寬內(nèi)，類似于低通濾波器，噪聲及干擾信號(hào)一般都具有高頻特征，因而在 輸入端就會(huì)遭受有效的阻隔，起到抑制噪聲的作用。
權(quán)利要求
基于帳篷映射模型的信號(hào)放大電路，包括信號(hào)輸出模塊、主控模塊、通信模塊和電源模塊，其特征在于主控模塊的輸出端與信號(hào)輸出模塊連接，通信模塊與主控模塊信號(hào)連接，電源模塊為信號(hào)輸出模塊、主控模塊和通信模塊提供電源；所述的主控模塊包括單片機(jī)U1，單片機(jī)U1的39腳與第一接插件P1的1腳、第一電容C17的一端連接，第一電容C17的另一端、第一接插件P1的2腳接地；單片機(jī)U1的38腳與第二接插件P2的1腳、第二電容C18的一端連接，第二電容C18的另一端、第二接插件P2的2腳接地；單片機(jī)U1的9腳與電源模塊中的第一電阻R1的一端、第三電容C1的負(fù)端連接；第一電阻R1的另一端接地，第三電容C1的正端接+5V電源；單片機(jī)U1的18腳與晶振Y1的一端、第四電容C5的一端連接，單片機(jī)U1的19腳與晶振Y1的另一端、第五電容C4的一端連接；第四電容C5的另一端、第五電容C4的另一端接地；所述的信號(hào)輸出模塊包括鎖存器U3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4和運(yùn)算放大器U5，鎖存器U3的3腳、4腳、7腳、8腳、13腳、14腳、17腳和18腳分別與單片機(jī)U1的21腳、22腳、23腳、24腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接，鎖存器U3的11腳與單片機(jī)U1的30腳連接，鎖存器U3的1腳接地、鎖存器U3的20腳接電源；數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的1腳、17腳與鎖存器U3的2腳連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的2腳、18腳與單片機(jī)U1的16腳連接；數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的4腳、5腳、6腳、7腳、16腳、15腳、14腳、13腳分別與單片機(jī)U1的24腳、23腳、22腳、21腳、25腳、26腳、27腳、28腳連接；數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的3腳、10腳、12腳接地，數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的8腳與+5V電源、第六電容C10的正端、第七電容C11的一端連接，第六電容C10的負(fù)端、第七電容C11的另一端接地；數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的19腳、20腳與+5V電源、第八電容C7的正端、第九電容C6的一端連接，第八電容C7的負(fù)端、第九電容C6的另一端接地；運(yùn)算放大器U5的反向輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的11腳連接，正向輸入端接地，輸出端與第二電阻R2的一端連接，第二電阻R2的另一端接數(shù)模轉(zhuǎn)換器U4的9腳；第三接插件P3的1腳與第十電容C19的一端、運(yùn)算放大器U5的輸出端連接，第十電容C19的另一端、第三接插件P3的2腳接地；所述的通信模塊包括通信芯片U2，通信芯片U2的1腳與第十一電容C12的一端連接，第十一電容C12的另一端接通信芯片U2的3腳；通信芯片U2的4腳與第十二電容C13的一端連接，第十二電容C13的另一端接通信芯片U2的5腳；通信芯片U2的11腳接單片機(jī)U1的11腳；通信芯片U2的12腳接單片機(jī)U1的10腳；通信芯片U2的16腳、第十三電容C14的負(fù)端、第十四電容C16的正端接+5V電源；第十三電容C14的正端接通信芯片U2的2腳，第十四電容C16的負(fù)端接地；通信芯片U2的14腳接串口J2的2腳，通信芯片U2的13腳接串口J2的3腳，通信芯片U2的6腳與第十四電容C15的負(fù)端連接，第十五電容C15的正端接地；開關(guān)S1的輸出端、第三電阻R3的一端、第十六電容C2的正端、第十七電容C3的一端接+5V電源，第三電阻R3的另一端與發(fā)光二極管D1的正端連接，發(fā)光二極管D1的負(fù)端接地，第十六電容C2的負(fù)端、第十七電容C3的另一端接地；第十八電容C8的正端、第十九電容C9的一端、運(yùn)算放大器U5的供電端接+5V電源，第十八電容C8的負(fù)端、第十九電容C9的另一端接地。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于帳篷映射模型的信號(hào)放大電路。傳統(tǒng)的信號(hào)放大電路在放大有用信號(hào)的同時(shí)噪聲以及測(cè)量誤差也會(huì)被成比例的放大。本發(fā)明包括信號(hào)輸出模塊、主控模塊、通信模塊和電源模塊，信號(hào)輸出模塊包括鎖存器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和放大器。主控模塊中的單片機(jī)輸出口通過鎖存器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)經(jīng)放大器放大后輸出模擬信號(hào)。通信模塊與主控模塊信號(hào)連接，上位機(jī)可通過通信模塊訪問主控模塊，電源模塊為信號(hào)輸出模塊、主控模塊和通信模塊提供電源。本發(fā)明的信號(hào)放大倍數(shù)不受限制，且靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01R29/00GK101833045SQ20101016156
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者劉鵬, 夏煒, 趙文禮 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)