本發明專利技術涉及一種雙相數字式鎖相放大器(見圖1)及所用的數字鎖相算法。可以用來檢測微弱電流信號，實現自動跟蹤濾波，同步鎖相功能。本發明專利技術解決現有鎖相放大器體積大、存在溫漂，與計算機連接進行自動測控時速度慢的問題。其主要技術特征，通過微弱小電流信號通過精密的IV轉換電路，經過9階RLC混合型高通濾波器，在與2個接法相反的低噪聲儀表運放相接，在儀表運放后端分別接上8階RLC混合型低通濾波器，兩個低通濾波器輸出的信號構成一個差分信號。同時參考信號經過鎖相環90°移相器，輸出兩個位相相差90°的TTL方波。用數據采集卡采集這三路信號，送入至PC機。在PC機上應用本發明專利技術的雙相數字域同步鎖相算法(見圖2)，進行信號處理與濾波。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種雙相數字式鎖相放大器及所用的數字鎖相算法，用來檢測太赫茲時域光譜儀差分探測器輸出的微弱電流信號，也可用在其他微弱信號檢測領域。
技術介紹
鎖相放大器在微弱信號檢測領域應用廣泛，市場所售大部分國外所產鎖相放大器例如PE7220，SR830等典型的通用鎖相放大器，其體積過于龐大，不便于集成于系統。如果需要進行自動化測試設備，類似PE7265、SR830等型號的鎖相放大器會由于通訊速度的限制，使整個系統的速度變慢。有很多機構或公司也研究了各種鎖相放大器。下列一一剖析各鎖相放大器的特點。a、鞏祥鵬(公開號CN1885043，中科院電子學研究所)等人所申請專利技術，應用AD630芯·片實現的單項式模擬鎖相放大器。此種類型的模擬鎖相放大器存在溫度漂移等問題。b、李剛(公開號CN102332878A，天津大學)等人，申請的鎖相放大器，為雙相數字式鎖相放大器，但其需預知所要采集信號的頻率。如果輸入信號頻率變化，就需要動態調整系統的采樣率。C、王自鑫(CN102045036A，中山大學，一種數字鎖相放大器)等人申請專利技術，采用的是CORDIC算法產生對應的參考信號，然后通過乘法器進行檢波，且采用IIR濾波器進行后級的低通濾波，可能會造成信號的微小振蕩。模擬式鎖相放大器，如果溫度變化會產生漂移。模擬式采用AD630芯片的同步解調是直接在模擬電路上實現的，而其他的例如CD502R3等乘法鑒相器芯片，所得的信噪比沒有同步解調獲得的信噪比高。所能查到的關于鎖相放大器的專利文獻中的文件，如果信號的輸入頻率有變化，那么在輸入信號端的濾波器沒有自適應或者自跟蹤的進行濾波的功能。
技術實現思路
本專利技術為解決在太赫茲時域光譜儀等一些精密儀器中，需要用到小型化鎖相放大器的問題，并且滿足儀器快速響應的需求。解決太赫茲時域光譜儀中由于斬波器輸出的頻率的抖動或者漂移，引起相位漂移的問題。本專利技術提供了一種小型雙相數字式鎖相放大器，所述數字式鎖相放大器包括前端信號調理電路，鎖相環90°移相器，數據采集卡DAQ，及一種數字域雙相同步鎖相算法等(見圖6)。本專利技術通過以下技術方案實現其專利技術目的。所述雙相數字式鎖相放大器，有兩個輸入端，一個輸入夾雜噪聲和干擾的微弱電流信號(簡稱Sin端)，另一個輸入和信號頻率相同的TTL占空比為50%的方波參考信號(簡稱Sref端)。這里的微弱電流信號可以由一個光電差分二極管輸入進來(見圖I所示雙相數字式鎖相放大器前端信號調理模塊圖)。Sin端輸入的微弱電流經過精密的IV變換電路，在通過一個9階RLC混合型高通濾波器(見圖說明書附圖2)。這個9階RLC混合型高通濾波器，低頻截止帶寬為2000Hz，頻率小于200Hz的干擾能衰減到_140dB以下。在將通過高通濾波器后的信號，分別送入，兩路，但接法反相的高精密低噪聲儀表放大器。兩路儀表放大器后端在分別接上8階無源RLC混合型低通濾波器，這兩個低通濾波器的截止頻率都為ΙΟΚΗζ。同時兩路儀表放大器將信號放大100倍。通過低通濾波器輸出的兩個信號構成I組差分信號，這樣能夠提高系統的動態范圍和共模抑制比。同時參考信號通過鎖相環90°移相器后，其變為與原信號頻率相同但相位相隔90°的方波。這樣從前端信號調理處理的信號有三個，分別為一組差分信號，2個相位差為90°的方波，但頻率與差分信號的頻率相同的三路信號。通過數據采集卡DAQ采集此三路信號，并送入PC機。PC機通過鎖相核心算法，將微弱信號的輸入的幅度和虛部提取出來。此節前端信號調理電路的模塊圖可見圖I、圖2、圖3、圖4。本專利技術設計的9階RLC高通濾波器(見圖2)，中阻尼電阻值比較小，噪聲也就小。此處應用LC濾波不對電路引入額外噪聲而其他引入運放和RC濾波的電路會有額外的噪聲。9階的混合式RLC濾波器，為了實現對周圍低頻干擾更大的衰減。本專利技術中所提及鎖相環90°跟蹤式移相器(見圖4)，由⑶4046構成數字式鎖相環，鎖相環的信號環路端由I個CD4013，二 D觸發器，連接，將鎖相放大器VCO輸出的信號頻 率提至原信號的4倍，然后從CD4013中的第一個D觸發器，Ql和Ql非端將信號引出(此信號頻率為需檢測信號的2倍)，輸出到第二個⑶4013的2個D觸發器上，這樣通過第二個CD4013的Ql和Q2引腳輸出的為相位相隔90°的方波信號，頻率與原參考信號相同，本專利技術的鎖相環能自動的跟蹤信號，響應迅速，并同時對輸入的參考信號進行濾波。這樣就解決了，參考信號變化帶來的移相問題。本專利技術的CD4046設置的信號跟蹤范圍在ΙΚ-ΙΟΟΚΗζ之間。如果應用其他數字式鎖相環以及2D觸發器，也可以實現頻率更高的鎖相環90°移相器。本專利技術的數字域同步鎖相算法(見圖5)，如下，輸入的三路信號通過數據采集卡進行同步采集，采樣率為fs，此fs大于輸入信號頻率的10倍以上。差分信號通過差分的接法接入至數據采集卡的ADC輸入端。在PC機上，先從參考信號中提取出基頻信號，此基頻信號與輸入信號的頻率相等。以此基頻信號為中心頻率，構建一個窄帶跟蹤式數字濾波器，對要檢測的那一路信號進行窄帶帶通濾波，窄帶帶通濾波器選擇加漢寧窗具有200個抽頭的中心帶寬默認為60Hz的帶通濾波器。相位相隔90°的方波信號進行采集后，將方波信號調整為振幅為+-I的兩路方波信號，然后分別將兩路方波信號與經過中心窄帶濾波的信號進行相乘(此處即是數字域同步鎖相)，得到新的兩路信號，這兩路信號在分別經過加了漢寧窗的、中心抽頭為50的FIR型低通濾波器。然后將此次經過濾波的所有采樣數據進行求平均值，所得出的兩個數值即為輸入信號的實部和虛部，通過換算可得到振幅和相位或者進行更多處理。利用PC的性能高、計算快，達到實現雙相數字鎖相放大器的目的。本專利技術的積分時間常數由每次的采樣數Ns確定。具體公式采樣數除以采樣率，Ns + fs。例如采樣率為lOOKsps，每次采集IK的數據，那么鎖相放大器的積分時間就為10ms。本專利技術中的數字域雙相同步鎖相算法，應用G語言(LabVIEW)，C或C++語言、MatLab等都能實現。本專利技術優點在于，前端信號調理全部采用低噪聲原則進行設計。IV轉換模塊所用的運放，采用的是超低偏置電流運放AD8665，其偏置電流低至IpA以下。9階的混合型RLC高通濾波，以及8階的混合型RLC低通濾波器，不引入額外的噪聲，且濾波效果優秀。通過將高通濾波輸出的信號，分成兩路，反相接到對應的超低噪聲儀表運放上，能夠給信號提供更高的共模抑止比。其中選用的超低噪聲儀表運放型號為AD8429，噪聲低至InV/ V Hz，且具有超低的諧波失真，進一步提升系統的信號噪聲。通過NI公司的USB6251 DAQ數據采集卡，對前端信號調理電路和鎖相環90°移相器輸出的信號進行采集。由于USB6251DAQ體積小，能實現8路同步采集，IOOKHz以上的采樣速率，且具有16位的分辨率，因此本專利技術所述的設計體積比較小。鎖相環90°跟蹤移相器，能夠解決由于參考信號的頻率抖動，所帶來的相位抖動問題，且不用預調相位。這也是通過數據采集卡采集三路信號直接送入PC機，用PC機來處理采集的數據，并做濾波和鎖相算法，比傳統的FPGA或DSP速度快。用PC機進行數據的處理能夠更好與一些自動化測試設備進行無縫銜接。下面結合附本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種雙相數字式鎖相放大器，其特征在于，前端信號調理電路、鎖相環90°移相器、數據采集卡、PC機處理數據用的雙相數字域同步鎖相算法。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：蔣鵬，趙國忠，
申請(專利權)人：首都師范大學，
類型：發明
國別省市：
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