一种数字锁相放大器制造技术

本发明专利技术涉及微弱信号探测放大设备领域，设计了一种数字锁相放大器。包括信号通道，参考通道，信号处理器和中心控制器四个部分，信号通道通过Ａ／Ｄ转换器与信号处理器连接，所述信号处理器包括两路与Ａ／Ｄ转换器连接的乘法器，与乘法器连接的两路积分器，数控移相器和９０度移相器，参考通道经过数控移相器形成两路输出，一路直接做为乘法器的输入，另一路经过９０度移相器后再输入另一路乘法器，两路积分器分别经过两个Ａ／Ｄ转换器后形成两路输出。信号经过信号通道放大之后，通过Ａ／Ｄ转换器转换成数字信号，再输入信号处理器中与参考通道的参考信号进行相乘和积分运算。是一个完全的数字运算过程，这是数字锁相放大器的最大特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微弱信号探测放大设备领域，更具体的说是一种数字锁相放大器。
技术介绍
近年来，微弱信号检测技术是利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原理和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声背景淹没的微弱信号的一门新兴的技术学科，锁相放大器作为微弱信号检测的常用仪器，已被广泛应用于工业生产、科学研究、医疗设备等众多领域中。例如，分子速质谱仪、扫描电镜(SEM)，软X射线激发电位能谱仪(SXAPS)、俄歇(Auger)电子谱仪等一起中都采用了锁相放大器。现有的锁相放大器多数采用模拟的方法实现。
技术实现思路
本专利技术设计了一种数字锁相放大器，数字锁相放大器是模拟锁相放大器的改进。使用最先进的数字信号处理技术，对研究信号进行模拟/数字转换，然后利用数字信号稳定性好、抗干扰能力强、数学逻辑运算方便等特点进行数据处理。本专利技术通过以下技术方案实现其专利技术目的。本专利技术设计的数字锁相放大器，包括信号通道，参考通道，信号处理器和中心控制器四个部分，信号通道通过A/D转换器与信号处理器连接，所述信号处理器包括两路与A/D转换器连接的乘法器，与乘法器连接的两路积分器，数控移相器和90度移相器，参考通道经过数控移相器形成两路输出，一路直接做为乘法器的输入，另一路经过90度移相器后再输入另一路乘法器，两路积分器分别经过两个D/A转换器后形成两路输出。信号经过信号通道放大之后，通过A/D转换器转换成数字信号，再输入信号处理器中与参考通道的参考信号进行相乘和积分运算。是一个完全的数字运算过程，这是数字锁相放大器的最大特点。由于一般的模拟乘法器与其他模拟器件容易受到外部干扰，以及存在温飘等问题，在高速运算中，精确度会大大降低。这些缺点在数字系统中是完全不存在的。相对于模拟信号，数字信号的抗干扰能力非常强，特别是对于高速变化的信号。中心控制器用于对各个模块的自动控制，与信号通道和信号处理器的控制端与连接所述信号通道包括模拟增益电路、高Q值的数控窄带滤波器和数控衰减电路。数控窄带滤波器中心频率由中心控制器控制自动跟踪系统的参考频率，把参考频率以外的噪声过滤，Q值达到1，大大提高了系统的输入噪声容限，使仪器适用范围更广。参考通道的参考信号的频率范围是800hz～20khz，这个范围已经囊括一般的光学探测，以及材料测量的频段范围，满足相当范围的教学应用与研发、测量应用。由于避开了50hz、100hz的低频范围干扰，系统结构大大简化，因此在测量范围内产品的性能大大提高，同时价格也比国外的各种锁相放大器要低。本设计的数控移相器和90度移相器输出的方波参考信号由转换器转变成相应的正弦参考波和余弦参考波再输入乘法器。两路乘法分别为信号与正弦参考波、余弦参考波相乘，并输出两路结果。由于模拟乘法器存在一定的不稳定与相位延迟等特性，因此一般的锁相放大器都是采用方波的参考信号与输入信号进行相乘的。然而这样的做法会导致把输入信号中参考频率的多次谐波加载到相乘结果中，导致相乘结果与真实信号强度存在一定的偏差，精确度降低。本专利技术设计的数字锁相放大器根据参考方波信号的频率与相位，把参考信号还原为正弦波与余弦波，然后再跟输入信号进行乘法，这样就解决了谐波加载的缺陷。本专利技术将所述乘法器，积分器，数控移相器，90度移相器和转换器采用可编程逻辑器件封装成一片芯片。将主要运算元件制作成集成芯片，具有很高的抗干扰能力。中心控制器连接有一个液晶显示屏用于连续显示两个D/A转换器的输出。采用趋势线直观地显示了系统一段时间内的工作状态，为红外镀膜、交流磁化率等生产测量工作带来了很大的方便性；同时也是给操作人员带来的一种人性化的信息。模拟增益电路设有增益结果输出，数控窄带滤波器设有自动跟踪滤波输出，乘法器设有相敏乘法输出，积分器设有积分结果输出。方便操作人员监控和检测系统工作状态。模拟增益电路、数控窄带滤波器和A/D转换器设有与中心控制器连接的信号溢出检测端，保证信号不失真。附图说明图1为本专利技术的模块示意图；图2为图1的详细系统结构图；图3为锁相放大器性能参数关系图；图4为窄带滤波器对过载电平的影响图。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术做进一步的说明。如图1所示的数字锁相放大器，包括信号通道1，参考通道2、信号处理器3和中心控制器8四个主要部分，模拟的检测信号从信号通道1输入，经过信号通道1放大之后，由A/D转换器4转换成数字信号，输入信号处理器3。参考信号经过参考通道2进行放大、整形、滤波后，形成方波输入输入信号处理器3。由信号处理器3将检测信号和参考信号进行运算后形成两路输出，输出两个D/A转换器5和5’变换成X通道和Y通道的模拟输出，经过中心控制器8并由液晶显示屏6连续显示出来。中心控制器8用于系统的自动化控制，与信号通道1和信号处理器3的控制端连接。本专利技术的数字锁相放大器的具体硬件结构图如图2所示。信号通道1包括模拟增益电路11、高Q值的数控窄带滤波器12和数控衰减电路13。信号通道1的主要功能是对输入的检测信号进行模拟增益，由于通常输入的检测信号的幅值都比较小，一般在mv或uv数量级，而且信号通常都埋藏在各种噪声中，因此模拟增益部分需要做到系统内部产生的噪声低，并且尽可能把测量频率范围(800hz～10khz)以外的频率信号过滤。信号输入后，系统能够进行高倍数增益(本系统最大增益为180dB)，并且要求增益的线性度比较高。系统有自动跟踪窄带滤波器，即数控窄带滤波器12中心频率自动跟踪系统的参考频率，过滤外部噪声，大大提高了系统的输入噪声容限，使仪器适用范围更广。本专利技术的满刻度灵敏度FS为10nv，系统动态储备为53dB。关于数控窄带滤波器12的Q值的选用问题。锁相放大器是一种高效率的弱信号提取仪器，实际上就是抵抗各种干扰和噪声的仪器。因此抵抗噪声的能力是锁相放大器的关键参数。这个参数可以用动态储备来描述。动态储备定义为锁相放大器的过载电平OVL与满刻度输出时的输入电平FS之比的分贝值，即动态储备＝20lg(OVL/FS)(dB)具体的动态储备、OVL、FS之间的关系如图3所示。如图所示，由于输入信号中含有噪声，而通常噪声的功率是比实际信号的功率要大的。由图3可以得知，动态储备越大，系统抑制噪声的能力就越强。实际上，由于锁相放大器是通过频率相位选择抑制噪声的，因此动态储备是随频率变化的。图4中，左图是没有加入数控窄带滤波器12的，信号很容易就溢出了。右图是加入了数控窄带滤波器12的，在一定宽度的频率范围上，OVL有了一定的提升。并且，数控窄带滤波器12的Q值越高，OVL提升的范围越大，中间的凹陷越窄，表明动态范围增大了。然而，由于通常的数控窄带滤波器12存在一定的不稳定性，导致中心频率的漂移，输出信号不稳定，因此窄带滤波器的Q值不能太高。本专利技术设计的数字锁相放大器，加入了数控窄带滤波器12系统。这个系统由单片机进行数字控制，保证了中心频率fr的稳定，同时滤波器拥有比较高的Q值，达到了系统与稳定性的统一。输入参考通道1的参考信号的频率范围是800hz～20khz，这个范围已经囊括一般的光学探测，以及材料测量的频段范围，满足相当范围的教学应用与研发、测量应用。由于避开了50hz的低频范围干扰，系统结构大大简化，因此在测量范围内产品的性能大大提高，同时价格也本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字锁相放大器，包括信号通道（１），参考通道（２），信号处理器（３）和中心控制器（８）四个部分，其特征是信号通道（１）通过Ａ／Ｄ转换器（４）与信号处理器（３）连接，所述信号处理器（３）包括两路与Ａ／Ｄ转换器（４）连接的乘法器（３１）、（３１’），与乘法器（３１）、（３１’）连接的两路积分器（３２）、（３２’），数控移相器（３３）和９０度移相器（３４）；参考通道（２）经过数控移相器（３３）形成两路输出，一路直接做为乘法器（３１）的输入，另一路经过９０度移相器（３４）后再输入另一路乘法器（３１’），两路积分器（３２）、（３２’）分别经过两个Ｄ／Ａ转换器（５）、（５’）后形成两路输出，信号通道（１）和信号处理器（３）的控制端与中心控制器（８）连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王自鑫，何振辉，周建英，黄熙，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]