基于數(shù)字移相鎖相技術(shù)的揚(yáng)聲器故障檢測

陳國平 王紅 程秋菊

摘要：該文為改善3種傳統(tǒng)鎖相檢測法相位差不可控的缺點(diǎn)，通過對互相關(guān)鎖相檢測原理的改進(jìn)，提出一種新型數(shù)字移相鎖相檢測法。在核電環(huán)境長距離傳輸條件下，結(jié)合對模擬前端電路的相位誤差分析，該檢測法將兩路具有頻率固定延時(shí)的數(shù)字移相信號代替兩路正相關(guān)模擬信號，對強(qiáng)噪聲中的微弱信號進(jìn)行相敏檢測，根據(jù)相關(guān)函數(shù)的差異性利用低通濾波器實(shí)現(xiàn)有用信號信息的提取。在核電廠區(qū)90dB的強(qiáng)噪聲環(huán)境中，對揚(yáng)聲器進(jìn)行故障試驗(yàn)測試。結(jié)果表明：該數(shù)字移相鎖相檢測法可穩(wěn)定檢測的最低信噪比為-40dB，最大檢測誤差為2.1%，可有效克服前端模擬移相誤差不可控的缺點(diǎn)，完成揚(yáng)聲器工作狀態(tài)的檢測。

關(guān)鍵詞：數(shù)字鎖相;相位誤差;故障診斷;核電環(huán)境

中圖分類號：TM93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0001-05

收稿日期：2018-06-10;收到修改稿日期：2018-07-12

基金項(xiàng)目：重慶市教委自然科學(xué)基金（KJ130507）

作者簡介：陳國平（1976-），男，重慶市人，教授，研究方向?yàn)楹撩撞ń鼒龀上瘛⑶度耸较到y(tǒng)和高性能FPGA并行計(jì)算。

0 引言

在核電產(chǎn)業(yè)中，廠房里安裝的廣播揚(yáng)聲器警報(bào)系統(tǒng)長期處于強(qiáng)噪聲高溫度的環(huán)境。針對揚(yáng)聲器聲響工作狀態(tài)的監(jiān)測需求，需研發(fā)一種能主動、高效檢測揚(yáng)聲器工作狀態(tài)的技術(shù)，代替目前的人工巡檢，增強(qiáng)設(shè)備智能化。在強(qiáng)噪聲環(huán)境下，傳統(tǒng)的微弱信號檢測方法有3種。

單通道相關(guān)檢測法[1]最大的缺點(diǎn)是待測混合信號需經(jīng)預(yù)處理電路濾除大部分噪聲才能保證檢測信噪比足夠高，而這將導(dǎo)致待測信號的相位產(chǎn)生不可避免的隨機(jī)變化，使參考信號與待測信號進(jìn)行鎖相運(yùn)算后的相位差不完全等于移相電路產(chǎn)生的固定相移，進(jìn)而形成檢測誤差。正交矢量雙相鎖相檢測法[2-3]能有效避免模擬移相電路本身引入的相位誤差，相比于單通道相關(guān)檢測法，能有效提高檢測精度。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于檢測端信號處理電路引起的隨機(jī)相移仍不能消除，導(dǎo)致相位檢測結(jié)果仍存在一定誤差。多級相關(guān)鎖相檢測法的隨機(jī)相移誤差則是由運(yùn)放構(gòu)成的三級信號放大器帶來的[4]，電路的復(fù)雜度和成本也會大大增加。

上述3種微弱信號檢測法在處理待測信號時(shí)，均忽略不計(jì)模擬前端信號調(diào)理電路產(chǎn)生的隨機(jī)相移誤差，僅計(jì)算相關(guān)運(yùn)算的相位差[5]，在一般場景和待測信號信噪比要求不高的條件下能滿足檢測要求，但不能滿足核電環(huán)境中廣播揚(yáng)聲器的狀態(tài)檢測要求。由于揚(yáng)聲器是無源的，需外施激勵信號使其發(fā)聲，通過檢測揚(yáng)聲器的聲響信號判斷其工作狀態(tài)。而激勵信號需由功率放大器擴(kuò)大后經(jīng)不定長度的音頻傳輸線到達(dá)揚(yáng)聲器終端，隨即淹沒在核電廠房的強(qiáng)環(huán)境噪聲中，這將使得該待測微弱信號送入鎖相電路前相位未知且不可控，檢測結(jié)果存在較大的誤差。因此本文首先模擬長距離下前端電路產(chǎn)生的相位誤差進(jìn)行分析，提出一種可控相位的新型數(shù)字鎖相檢測法，進(jìn)行硬件仿真分析和實(shí)際核電環(huán)境下的廣播揚(yáng)聲器狀態(tài)實(shí)物測試分析。

1 相位誤差分析

設(shè)揚(yáng)聲器激勵信號為、（t），經(jīng)過功率放大器和長距離音頻線傳輸后會產(chǎn)生隨機(jī)相移△δ₁，得到激勵信號s₁（t）.待測微弱信號和噪聲混合信號經(jīng)過系統(tǒng)模擬前端電路后會產(chǎn)生隨機(jī)相移△δ₂，得到待測混合信號s₂（t）。本地參考信號經(jīng)固定移相電路產(chǎn)生相位移動φ后得到信號v_ref（t）。將s₂（t）和v_ref（t）兩路信號相敏檢波運(yùn)算后由低通濾波器輸出直流量V_out如下式所示：

其中A為待測信號幅值，B為參考信號幅值。實(shí)際應(yīng)用中參考信號和待測微弱信號的相位差為△φ，其中已知兩者初相φ₁、φ₂和移相電路的固定相移φ，而△δ₁和△δ₂是檢測系統(tǒng)的隨機(jī)相移，即檢測的相位誤差。圖1是對揚(yáng)聲器系統(tǒng)產(chǎn)生的隨機(jī)相移進(jìn)行實(shí)物分析結(jié)果圖。

使用1kHz激勵信號由功放饋入1km音頻傳輸線至揚(yáng)聲器，圖1中藍(lán)色波形為功放輸入的峰峰值為200mV的正弦波，紅色波形為揚(yáng)聲器終端處收到的峰峰值為3.3 V的正弦波。根據(jù)圖1中△X的測量信息有：

因此，在實(shí)際應(yīng)用場景中，主動激勵信號需經(jīng)過功放和傳輸線才能到達(dá)揚(yáng)聲器，不可避免地產(chǎn)生相移△δ₁，以上測試驗(yàn)證了功放和傳輸線上隨機(jī)相移的存在。

為了提高信噪比和檢測精度，傳統(tǒng)的微弱信號相關(guān)檢測法都在相敏檢波前對混合信號進(jìn)行了必要的窄帶濾波和放大等模擬前端預(yù)處理[6]。圖2即為對這些模擬電路的測試結(jié)果，其中藍(lán)色波形為模擬頻率1kHz、峰峰值500mV的待測信號，經(jīng)過預(yù)處理電路后的波形為紅色波形。根據(jù)圖2中△方{測量信息，相位誤差如下：

故這些模擬電路引入的隨機(jī)相移△δ₂很難避免。

在本文核電領(lǐng)域揚(yáng)聲器狀態(tài)檢測研究的背景下，由于△δ₁和△δ₂的隨機(jī)性，式（2）中的相位差|△φ|可能為2π內(nèi)的任意值，而當(dāng)|△φ|=π/2時(shí)，V_out=0，此時(shí)則無法檢測出揚(yáng)聲器不發(fā)聲的情況。而傳統(tǒng)的3種檢測法均為理想情況下，忽略系統(tǒng)相移誤差△δ₁和△δ₂，因此不適用于本文的應(yīng)用環(huán)境。

2 移相鎖相檢測法

2.1 移相鎖相檢測原理

由前文的分析可知，在核電領(lǐng)域揚(yáng)聲器狀態(tài)檢測中，需要通過鎖相檢測的直流輸出值來判斷揚(yáng)聲器狀態(tài)，使用傳統(tǒng)的鎖相檢測法In可能出現(xiàn)檢測結(jié)果誤判的情況。故本文提出了一種基于互相關(guān)鎖相檢測原理改進(jìn)的數(shù)字移相鎖相檢測法，僅利用單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)參考信號的產(chǎn)生和數(shù)字移相，避免隨機(jī)移相誤差。具體結(jié)構(gòu)單元如圖3所示。

該結(jié)構(gòu)分為激勵單元、微弱信號采集單元、前端信號處理單元和鎖相檢測單元。激勵單元由單片機(jī)和功率放大器組成，單片機(jī)產(chǎn)生固定頻率1kHz的正弦激勵信號，經(jīng)功率放大器饋送至遠(yuǎn)端揚(yáng)聲器，激勵信號隨即被最高聲強(qiáng)90dB的核電廠房環(huán)境噪聲淹沒，成為系統(tǒng)的待測微弱信號，此時(shí)混合信號的最低信噪比由功放增益決定。前端信號處理單元包含預(yù)放大電路和窄帶濾波器，混合信號經(jīng)過預(yù)放大電路調(diào)理后由中心頻率和激勵信號同頻的窄帶濾波器濾除帶外大部分噪聲信號，得到一路相關(guān)檢測信號[8]。鎖相檢測單元是該檢測法的核心結(jié)構(gòu)，由單片機(jī)直接產(chǎn)生一個(gè)單極性正弦信號，該信號具有和待測微弱信號相同的頻率（1kHz），且保持每個(gè)正弦周期的相位比前一周期滯后，即每16個(gè)連續(xù)的正弦周期共滯后2π，再利用電平平移電路將其轉(zhuǎn)換成雙極性信號作為參考信號送入模擬乘法器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，低通濾波器將相關(guān)運(yùn)算結(jié)果中的直流分量濾出即可被ADC模塊采集并利用單片機(jī)對其進(jìn)行處理分析。

2.2 硬件仿真

窄帶濾波[9]可到達(dá)從背景噪聲中分離有用信號的目的，因此為了提高鎖相檢測精度，獲得較低信噪比信號檢測性能，本系統(tǒng)加入了1kHz窄帶濾波電路。設(shè)計(jì)目標(biāo)中心頻率為1kHz，且為了便于計(jì)算，取C₁=C₂=10nF，中心頻率由R₁1與R₂的并聯(lián)值及R₃、C共同決定，通帶增益和R₂無關(guān)。當(dāng)取R₃=2R₁=25kΩ，R₂=1kΩ≤R₁時(shí)，有則有f₀=ω₀/2π=1kHz，中心頻率增益A（ω₀）=-1，品質(zhì)因數(shù)Q=7.9。其頻率響應(yīng)曲線如圖4所示。

從圖4（a）中可以看到該濾波器的中心頻率為1kHz，通帶增益約為0dB，該結(jié)果和上述理論分析相符;由圖4（b）可知，該濾波器的上、下-3dB截止頻率分別為1.0678kHz和941.617Hz，-3dB帶寬126Hz。

相關(guān)運(yùn)算模塊選用模擬乘法器AD633作為鎖相運(yùn)算單元[10-11]，其輸出形式為

將一個(gè)幅度為1V、頻率為1kHz的正弦信號同時(shí)輸入到X差分輸入端IN_1和Y差分輸入端IN_2，兩者相關(guān)運(yùn)算的相位差為0，可得乘法器輸出波形如圖5所示。當(dāng)調(diào)整輸入信號的相位差為90°時(shí)，獲得最小直流分量為0，即輸出僅含有倍頻信號，其仿真輸出波形如圖6所示。

圖5和圖6中的輸出倍頻信號峰峰值近似為100mV，最大輸出直流分量為50mV，符合式（5）的鎖相電路傳遞函數(shù)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性。

在對低通濾波器[12]進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了得到極低的截止頻率點(diǎn)，最大程度濾除二倍頻和噪聲信號，設(shè)R₁=R₂=30kΩ，C₁=C₂=0.1μF，則特征頻率f₀=53Hz，通帶增益A（ω₀）=2，品質(zhì)因數(shù)Q=1。其頻率響應(yīng)曲線如圖7所示。從圖中知該低通濾波器通帶截止頻率約53Hz，通帶增益為6dB，-3dB上限截止頻率約95Hz。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 信噪比測試

為了模擬揚(yáng)聲器正常工作時(shí)，不同信噪比的檢測結(jié)果，保持最大噪聲強(qiáng)度4.2V，不斷改變輸入激勵信號強(qiáng)度進(jìn)行測試。檢測模塊實(shí)物如圖8所示，揚(yáng)聲器聲響采集結(jié)果如圖9所示。從圖9中觀察可得，-40dB時(shí)波形保持穩(wěn)定，-43dB時(shí)波形有明顯劣化失真。同時(shí)，模塊輸出最大直流值隨著信噪比降低而降低，-43dB時(shí)最大值35與表1中純噪聲檢測值接近，故最低可穩(wěn)定檢測信噪比為-40dB。

表1為輸入純噪聲，即無激勵信號測試時(shí)鎖相檢測模塊ADC采集的直流信號最大值，以此模擬揚(yáng)聲器未正常工作的檢測情況。由表可知，僅噪聲輸入時(shí)輸出采樣最大值隨噪聲強(qiáng)度下降而減小，最大值為30。由圖10可知，由于噪聲信號和參考信號不相關(guān)，故鎖相檢測模塊輸出信號波形不再是呈正弦的緩變直流值。因此，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，無激勵信號時(shí)無論ADC采樣值繪圖、最大值與存在激勵信號時(shí)（-40dB及以上）的檢測結(jié)果有較大區(qū)別度。

3.2 相移誤差驗(yàn)證

上述測試標(biāo)定了模擬最大噪聲聲強(qiáng)為90dB條件下，本文研究的數(shù)字移相鎖相檢測模塊最低可穩(wěn)定檢測信噪比為-40dB。因此，采用本文方法對某核電廠區(qū)的揚(yáng)聲器工作狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)際測試，圖11分別為本系統(tǒng)取-13dB應(yīng)用時(shí)，激勵信號和最大噪聲同時(shí)存在、無噪聲信號輸入和純噪聲信號輸入條件下的實(shí)測結(jié)果。

低通濾波器輸出波形如圖11（a）所示。該正弦變化信號的每個(gè)周期實(shí)際是由16個(gè)緩變直流點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)鎖相運(yùn)算周期（1ms）獲得一個(gè)直流值，故此信號周期為16ms，即頻率為62Hz。由于本設(shè)計(jì)中的低通濾波器具有兩倍增益，故由圖中波形信息可知實(shí)際最大直流值約為342.5mV，而理論計(jì)算值為V=AB/20=350mV，最大檢測誤差僅為2.1%，有效地克服了前端模擬移相誤差不可控的缺點(diǎn)。

在本系統(tǒng)中，為了檢測揚(yáng)聲器是否正常工作，僅需分析有無激勵信號時(shí)鎖相檢測的直流輸出情況即可。當(dāng)僅存在環(huán)境噪聲時(shí)，理論上無直流輸出（如圖11（c）所示）;若鎖相檢測模塊輸入信號信噪比足夠高，其輸出最大直流值與理論值的誤差不會影響揚(yáng)聲器工作狀態(tài)的判斷結(jié)果。對比圖11（a），圖11（b）可知，實(shí)際應(yīng)用時(shí)強(qiáng)噪聲信號的干擾會使鎖相檢測輸出波形的峰峰值減小，對應(yīng)最大直流值減小，并產(chǎn)生毛刺。但其正弦波形非常完整，依然能通過其輸出最大值與預(yù)設(shè)閾值的對比結(jié)果區(qū)分純噪聲輸入時(shí)（模擬揚(yáng)聲器未正常工作狀態(tài)）的檢測結(jié)果，并具有較高的靈敏度，從而精確穩(wěn)定地判斷揚(yáng)聲器工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文所研究的新型數(shù)字移相鎖相檢測法采用連續(xù)數(shù)字移相參考信號，使鎖相檢測過程最大程度遍歷各個(gè)相位差，避免了隨機(jī)相移導(dǎo)致的應(yīng)用局限，實(shí)現(xiàn)了核電領(lǐng)域環(huán)境中的微弱信號高精度檢測。同時(shí)利用主動激勵信號使揚(yáng)聲器發(fā)聲，通過檢測揚(yáng)聲器是否正常發(fā)聲判斷其狀態(tài)情況，應(yīng)用時(shí)不需要完全恢復(fù)待測激勵信號，僅分離和提取激勵信號信息從而判斷檢測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了揚(yáng)聲器工作狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測。

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（編輯：劉楊）