一种用于教学实验的数字锁相放大实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于教学实验的数字锁相放大实验装置，信号前级放大模块的输出端通过继电器选择连接信号前级放大输出接口或抗混叠滤波器的输入端；抗混叠滤波器的输入端还连接有滤波器输入接口，抗混叠滤波器的输出端通过继电器选择连接滤波器输出接口或A/D转换器的输入端；A/D转换器的输入端还连有相敏相关检测输入接口；参考通道通过继电器选择连接参考信号输出接口或相敏相关检测模块，相敏相关检测模块还连接一参考信号输入接口；相敏相关检测模块的正弦相乘输出通过第一D/A转换器连接相敏相关检测输出接口，第一数字低通滤波器的输出端通过第二D/A转换器连接X通道输出接口。本发明专利技术便于教学实验。

A digital lock-in amplifier experiment device for teaching experiment

The invention discloses a digital phase-locked amplification experiment device for the teaching experiment, the signal output stage amplifier module connected with the signal end of the relay selection of preamplifier output interface or anti aliasing filter input; anti aliasing filter is connected to the input terminal of a filter input interface, output of anti aliasing filter the input end is connected with the filter output interface or A/D converter through the relay; A/D converter input end is connected with a phase sensitive detection input interface; the reference channel connecting the reference signal output interface or phase sensitive detection module through the relay selection, phase sensitive detection module is connected to a reference signal input interface; phase sensitive detection the sinusoidal output through the first module multiplication D/A converter connected to a phase sensitive detection output interface, the output of the digital low pass filter The terminal connects to the X channel output interface via the second D/A converter. The invention is convenient for teaching experiments.

【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，更具体的说是一种用于教学实验的数字 锁相放大实验装置。
技术介绍
在自然科学的研究与测量工程实践中，经常会遇到微毫伏级信号测量的问题，如 何获取这些弱信号信息需要通过各种各样的检测方法。例如测定地震的波形和波速、材料 分析时测量荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及生物电信号测量等，它们最终都是把 自然界的非电物理量通过传感器转化为电压或电流信号。然而，这些被测信号非常微弱，很 容易被噪声淹没，对它们的检测往往变得十分困难。微弱信号检测就是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号的一 门新兴技术学科。它是在信息论和随机过程理论研究的基础上，通过对信号噪声本质的研 究发展起来的。它用科学的方法分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计 特征及其差别，采用一系列信号处理方法，达到检测被测噪声覆盖的微弱信号的目的。在 这些方法中，锁相放大技术是其中一种被使用得最广泛得方法.也被认为是最为有效的方 法。国内已申请的锁相放大器相关专利都是针对科研实验设计的，没有专门用于物理 教学实验的锁相放大器专利。本实验室(中山大学光电材料与技术国家重点实验室)多年 来一直致力于数字锁相放大器的研究，已有一个名为一种数字锁相放大器的专利(授权公 告号CN100461629C)，该锁相放大器引进了自跟踪窄带滤波技术，极大地提高了锁相放大器 的动态储备，采用可编程逻辑器件实现双相锁相放大器相敏相关算法，是一款真正意义上 的数字锁相放大器。但该锁相放大器也是专门面向科研实验的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供了一种用于教学实验的数 字锁相放大实验装置，可以将数字锁相放大实验装置内部各个模块的信号输出到面板，学 生可以通过示波器观察各模块处理后信号的变化，帮助学生理解数字锁相放大实验装置内 部实现的原理，并让学生将各模块连接起来，便于教学实验。本专利技术的具体实现方案如下—种用于教学实验的数字锁相放大实验装置，包括信号通道、参考通道、信号处 理器，信号通道包括串联的信号前级放大模块和抗混叠滤波器，信号通道通过A/D转换器 与信号处理器连接，参考通道与信号处理器连接；所述信号处理器包括与A/D转换器、参 考通道连接的相敏相关检测模块，第一数字低通滤波器，第二数字低通滤波器及平方根和 arctan(i)运算模块；相敏相关检测模块的正弦相乘输出和余弦相乘输出分别对应通过第 一数字低通滤波器和第二数字低通滤波器连接平方根和arctan(i)运算模块；其特征在 于，信号前级放大模块的输出端通过继电器选择连接信号前级放大输出接口或抗混叠滤波器的输入端；抗混叠滤波器的输入端还连接有滤波器输入接口，抗混叠滤波器的输出端通 过继电器选择连接滤波器输出接口或A/D转换器的输入端；A/D转换器的输入端还连有相 敏相关检测输入接口 ；参考通道通过继电器选择连接参考信号输出接口或相敏相关检测模 块，相敏相关检测模块还连接一参考信号输入接口 ；相敏相关检测模块的正弦相乘输出通 过第一 D/A转换器连接相敏相关检测输出接口，第一数字低通滤波器的输出端通过第二 D/ A转换器连接X通道输出接口。本专利技术的数字锁相放大实验装置还包括一多路选择器，多路选择器的输入端连 有抗混叠滤波器的输入端、A/D转换器的输入端、相敏相关检测模块的正弦相乘输出端、第 一 D/A转换器的输出端和第二 D/A转换器的输出端。信号处理器连有数字低通滤波器输入接口和电阻，电阻连有电源，信号处理器通 过探测低通滤波器输入接口(84)与相敏相关检测输出接口的连接以控制第二 D/A转换器 的输出。本专利技术的数字锁相放大实验装置还包括信号发生器模块。所述信号发生器模块包括用于产生频率和幅值可调的正弦信号和TTL同步信号 的DDS模块，噪声发生器模块和用于将噪声加到正弦信号的加法器模块。第一数字低通滤波器和第二数字低通滤波器采用四阶IIR低通滤波器；采用四阶 IIR低通滤波器代替原来的积分运算，避开了由于积分不是信号的整数周期而带来的数据 不稳定性，而且UR低通滤波器比平均值滤波器有更好的衰减斜率，容易做到更低的截止 频率。所述信号前级放大模块具有两个信号输入端，还包括依次串联的电流电压转换模 块、输入耦合模块、差分放大器、程控放大器、数控衰减器。所述相敏相关检测模块(301)包括用于对参考信号进行测频的测频模块， Cordic发生器，第一乘法器和第二乘法器；测频模块输至Cordic发生器，经Cordic发生器 输出的正弦、余弦信号分别与A/D转换器的输入信号对应在第一乘法器和第二乘法器进行 相乘后，对应输至第一数字低通滤波器和第二数字低通滤波器。所述信号处理器采用一片可编程逻辑器件来实现。所述数字锁相放大器还包括一用于控制信号通道、参考通道和信号处理器的中 央控制器，中央控制器连一人机界面。本专利技术通过设计多个继电器将各模块分拆及设计各输出接口和输入接口，使得本 装置具有用户手动连接数字锁相放大实验装置内部各个模块的功能，也便于用户直观了解 各模块的工作，帮助用户理解数字锁相放大实验装置内部实现的原理，非常利于教学。本专利技术通过设计探测电路虚拟拆分数字部分(相敏相关检测模块和第一数字低 通滤波器)，进一步完善模块分拆，便于用户了解。本专利技术通过设计多路选择器，可在整个装置运作下(不切断各模块的连接)，在单 个输出口选择输出信号前级放大模块输出信号、抗混叠滤波器输出信号、相敏相关检测模 块输出信号和第一数字低通滤波器信号，便于直观看出整个装置的工作过程。还集成了信号发生器(可以产生噪声信号)，用户可以在一个实验仪器上完成锁 相放大器原理的实验。为了能更清晰的理解本专利技术，以下将结合附图说明阐述本专利技术的具体实施方式。附图说明图1是本专利技术的方框图；图2是本专利技术的原理结构图；图3是本专利技术的相敏相关算法结构框图；图4是本专利技术的低通滤波器结构框图；图5是探测电路示意图；图6是本专利技术的信号发生器模块图；图7是本专利技术的噪声发生器的原理图。具体实施例方式下面结合附图及具体实施例来更详细地描述本专利技术。如图1所示，一种用于教学实验的数字锁相放大实验装置，包括相互连接的人机 界面和中央控制器及受中央控制器控制的信号通道1、参考通道2、信号处理器3;待测信号 从信号通道1输入，在信号通道1中对其进行电流电压转换、放大和滤波。随后，该待测信 号经A/D转换器4转换成数字信号，并输入信号处理器3，在本实施例中采用可编程逻辑控 制器(FPGA)进行处理。参考信号经参考通道2进行整形后，可选择以方波信号或正弦波信 号输入信号处理器3。由信号处理器3将待测信号和参考信号进行运算后得到所需信号的 幅度值及相位。人机界面包括5.7英寸320XM0点阵液晶外界显示屏和键盘。使用者通 过人机界面进行操作，通过中央控制器控制本装置的运作，包括各继电器的运作。如图2所示，信号通道1包括信号前级放大模块101和抗混叠滤波器17，信号前级 放大模块的输出端通过继电器91选择连接信号前级放大输出接口 71或抗混叠滤波器17 的输入端，抗混叠滤波器17的输入端还连接有滤波器输入接口 81，抗混叠滤波器17的输出 端通过继电器92选择连接滤波器输出接口 72或A/D转换器4的输本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于教学实验的数字锁相放大实验装置，包括：信号通道（１）、参考通道（２）、信号处理器（３），信号通道（１）包括串联的信号前级放大模块（１０１）和抗混叠滤波器（１７），信号通道（１）通过Ａ／Ｄ转换器（４）与信号处理器（３）连接，参考通道（２）与信号处理器（３）连接；所述信号处理器（３）包括与Ａ／Ｄ转换器（４）、参考通道（２）连接的相敏相关检测模块（３０１），第一数字低通滤波器（３４），第二数字低通滤波器（３４’）及平方根和ａｒｃｔａｎ（ｉ）运算模块（３５）；相敏相关检测模块（３０１）的正弦相乘输出和余弦相乘输出分别对应通过第一数字低通滤波器（３４）和第二数字低通滤波器（３４’）连接平方根和ａｒｃｔａｎ（ｉ）运算模块（３５）；其特征在于：信号前级放大模块（１０１）的输出端通过继电器（９１）选择连接信号前级放大输出接口（７１）或抗混叠滤波器（１７）的输入端；抗混叠滤波器（１７）的输入端还连接有滤波器输入接口（８１），抗混叠滤波器（１７）的输出端通过继电器（９２）选择连接滤波器输出接口（７２）或Ａ／Ｄ转换器（４）的输入端；Ａ／Ｄ转换器（４）的输入端还连有相敏相关检测输入接口（８２）；参考通道（２）通过继电器（９３）选择连接参考信号输出接口（７３）或相敏相关检测模块（３０１），相敏相关检测模块（３０１）还连接一参考信号输入接口（８３）；相敏相关检测模块（３０１）的正弦相乘输出通过第一Ｄ／Ａ转换器（５）连接相敏相关检测输出接口（７４），第一数字低通滤波器（３４）的输出端通过第二Ｄ／Ａ转换器（５’）连接Ｘ通道输出接口。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王自鑫，何振辉，蔡志岗，徐辉，胡庆荣，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81