CN106199389A - 一种高效锁相放大器性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高效锁相放大器性能测试装置，包括：可编程相位、频率、幅值的标准正弦信号发生模块、参考信号可编程输出模块、衰减网络、白噪声实时产生模块及信号叠加输出模块、锁相放大器输出信号扫描检测模块、人机交互界面。本发明提出了一种高效锁相放大器性能测试装置及方法，使用本发明的测试装置及方法可以在低成本下快速简便的测试和校准锁相放大器的技术参数。

Description

一种高效锁相放大器性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种高效锁相放大器性能测试装置，还涉及一种高效锁相放大器性能测试方法。

背景技术

锁相放大器是利用互相关或自相关原理设计的一种同步相干检测仪，能对检测信号和参考信号进行相关运算，适用于检测深埋在噪声或直流漂移中极其微弱信号的幅度和相位。锁相放大器具有极高的放大倍数，总的增益可达10¹¹，能检测极微弱信号；交流输入，直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差的余弦；满刻度灵敏度达μV、nV甚至pV量级；非相干信号输入过载电压可达60dB以上，即噪声大于信号数千倍以上时仍能正常检测，目前已经大量应用于各种微弱信号检测领域。

目前如何快速、准确、简便的测量和校准锁相放大器的参数一直是一个难题。

现有测试方案具有如下缺点和不足：

(1)、测量结果不确定度不可准确评价：通过相关查询，目前没有一体化的专业的锁相放大器校准和性能评估装置，只有利用函数发生器、信号衰减器、噪声发生仪、示波器、计算器等多种仪器搭建的***，最终完成锁相放大器相关参数的测试，由于这种多种仪器搭建的***，存在不确定度级联和仪器间不确定度叠加造成的不可评价的校准误差；

(2)、操作复杂：目前利用搭建***的进行锁相放大器参数校准和测试的方式效率低，主要体现在为了校准和测试某一个锁相放大器参数，需要对***中的多个设备进行参数设置，因此导致操作流程过于复杂，从而使得测试的效率大大降低，测量时间大大增加；

(3)、成本过高：用于搭建***的测试成本过高；

(4)、效率低：参数测试结果不能直接计算显示，只能通过测量结果自行计算，使得整个测试过程效率非常低。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提出了一种高效锁相放大器性能测试装置及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种高效锁相放大器性能测试装置，包括：可编程相位、频率、幅值的标准正弦信号发生模块、参考信号可编程输出模块、衰减网络、白噪声实时产生模块、信号叠加输出模块、锁相放大器输出信号扫描检测模块、人机交互界面；

测试装置工作时，首先，用户在人机交互界面上输入输出信号的幅度、频率、噪声水平；然后，可编程相位、频率、幅值标准正弦信号发生模块根据用户设置参数产生相应的被测信号；再经过衰减网络的可编程衰减后，与白噪声实时产生模块生成的白噪声通过信号叠加输出模块进行信号叠加，并通过输出接口将产生的信号传送给待测锁相放大器，同时将参考信号可编程输出模块产生的参考信号传输给待测锁相放大器；锁相放大器输出信号扫描检测模块接收来自待测锁相放大器的输出信号，利用人机交互界面将采集的数据进行算法计算，并将处理结果显示，获得锁相放大器的最终测试结果。

可选地，所述可编程相位、频率、幅值的标准正弦信号发生模块采用DDS设计，通过FPGA实现DDS数字移相正弦信号发生器的数字部分，并在***电路搭建高精度16位D/A转换器和噪声去除的低通滤波器，获得相位、频率、幅值可调的标准正弦信号。

可选地，所述参考信号可编程输出模块固定输出信号的相位和频率，调整通过输出信号关系产生的参考信号的相对相位，完成参考信号和输出信号的频率相位关系。

可选地，所述衰减网络设置的最小正弦波信号输出为1mV，然后幅值变化的分辨率设置为0.2mV，衰减网络采用9∶1、99∶1、999∶1的三级精密电阻衰减网络，实现了微弱信号的衰减输出。

可选地，所述白噪声实时产生模块及信号叠加输出模块采用数字合成方法实现，首先产生均匀分布的白噪声，然后通过转换获得数字高斯白噪声，将数字高斯白噪声通过16位的D/A转换器叠加到信号网络，作为最终的输出提供给待测试锁相放大器。

可选地，所述锁相放大器输出信号扫描检测模块对待测锁相放大器的锁相输出结果进行采集，并通过硬件电路将数据上传至主控单元用于待测锁相放大器的参数计算，最终将测量结果显示给用户。

本发明还提出了一种高效锁相放大器性能测试方法，首先，用户在人机交互界面上输入输出信号的幅度、频率、噪声水平；然后，可编程相位、频率、幅值标准正弦信号发生模块根据用户设置参数产生相应的被测信号；再经过衰减网络的可编程衰减后，与白噪声实时产生模块生成的白噪声通过信号叠加输出模块进行信号叠加，并通过输出接口将产生的信号传送给待测锁相放大器，同时将参考信号可编程输出模块产生的参考信号传输给待测锁相放大器；锁相放大器输出信号扫描检测模块接收来自待测锁相放大器的输出信号，利用人机交互界面将采集的数据进行算法计算，并将处理结果显示，获得锁相放大器的最终测试结果。

可选地，所述可编程相位、频率、幅值的标准正弦信号发生模块采用了DDS的设计，通过FPGA实现DDS数字移相正弦信号发生器的数字部分，并在***电路搭建16位D/A转换器和噪声去除的低通滤波器，获得相位、频率、幅值可调的标准正弦信号；

所述参考信号可编程输出模块固定输出信号的相位和频率，调整通过输出信号关系产生的参考信号的相对相位，完成参考信号和输出信号的频率相位关系；

所述衰减网络设置的最小正弦波信号输出为1mV，然后幅值变化的分辨率设置为0.2mV，衰减网络采用9∶1、99∶1、999∶1的三级精密电阻衰减网络，实现了微弱信号的衰减输出；

所述白噪声实时产生模块及信号叠加输出模块采用数字合成方法实现，首先产生均匀分布的白噪声，然后通过转换获得数字高斯白噪声，将数字高斯白噪声通过16位D/A转换器叠加到信号网络，作为最终的输出提供给待测试锁相放大器；

所述锁相放大器输出信号扫描检测模块对待测锁相放大器的锁相输出结果进行采集，并通过硬件电路将数据上传至主控单元用于待测锁相放大器的参数计算，最终将测量结果显示给用户。

本发明的有益效果是：

(1)测试装置及方法集成化、高效率：将原本的利用函数发生器、信号衰减器、噪声发生仪、示波器、计算器等多种仪器搭建的复杂***，利用集成式电路设计进行专业化、一体化集成，大大简化了***测试的流程；同时本装置可是实时显示测试结果，仪器工作时，只需要通过人机界面将所要设置的参数设置准确后，可利用一键测试功能，完成所测试参数的实时显示，提高了锁相放大器的参数测试效率，在测试同样指标参数下，利用本装置是现有技术方案效率的3～4倍。

(2)测量结果高可靠性：将原本的利用函数发生器、信号衰减器、噪声发生仪、示波器、计算器等多种仪器搭建的复杂***，利用集成式电路设计进行专业化、一体化集成，减小了各种***引入的测量不确定性。

(3)测试装置及方法高适用性：多通道信号及参考输出，使得本发明的测试装置及方法可以实现多通道信号和参考的输出，并且每个通道均可以独立进行参数的实时设置，大大适应了不同通道数量下的自相关或互相关锁相放大器的参数测试和校准，可满足现有大部分锁相放大器的参数测试。

(4)低成本：无需搭建高成本复杂***，只需利用本发明的测试装置就可实现锁相放大器的低成本一体化参数测试，经过估算利用本发明测试装置成本可以缩减为原测试***成本的1/5。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的高效锁相放大器性能测试装置的原理框图；

图2为本发明的可编程相位、频率、幅值的标准正弦信号发生模块结构示意图；

图3为本发明的参考信号可编程输出模块结构示意图；

图4为本发明的衰减网络结构示意图；

图5为本发明的白噪声实时产生及信号叠加输出模块结构示意图；

图6为本发明的锁相放大器输出信号扫描检测模块结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种高效锁相放大器性能测试装置及方法，使用本发明的测试装置及方法可以在低成本下快速简便的测试和校准锁相放大器的技术参数。

如图1所示，本发明的高效锁相放大器性能测试装置包括：可编程相位、频率、幅值的标准正余弦信号发生模块、参考信号可编程输出模块、衰减网络、白噪声实时产生及信号叠加输出模块、锁相放大器输出信号扫描检测模块、显示模块。

测试装置工作时，首先用户在人机交互界面上输入输出信号的幅度、频率、噪声水平；然后可编程相位、频率、幅值标准正弦信号发生模块根据用户设置参数产生相应的被测信号；再经过衰减网络的可编程衰减后，与白噪声实时产生模块生成的白噪声通过信号叠加输出模块进行信号叠加，并通过输出接口将产生的信号传送给待测锁相放大器，同时将参考信号可编程输出模块产生的参考信号传输给锁相放大器；锁相放大器输出信号扫描检测模块接收来自待测锁相放大器的输出信号，利用人机交互界面将采集的数据进行算法计算，并将处理结果显示，就获得锁相放大器的最终测试结果。

利用上述模块实现了本发明高效锁相放大器性能测试装置的一体化与集成化，下面结合说明书附图对上述各个模块进行详细说明。

可编程相位、频率、幅值的标准正弦信号发生模块如图2所示，采用了DDS的设计思路，通过现场可编程门阵列(FPGA)实现DDS数字移相正弦信号发生器的数字部分，并在***电路搭建高精度16位D/A转换器和噪声去除的低通滤波器，最终获得相位、频率、幅值可调的标准正弦信号。

参考信号可编程输出模块如图3所示，参考信号与输出信号的相位关系，主要是固定输出信号的相位和频率，调整通过输出信号关系产生的参考信号的相对相位，完成参考信号和输出信号的频率相位关系，本发明的相位分辨率可以达到1°。

在进行μV级小信号测试时，由于环境噪声、外界干扰及电阻热噪声等因素的影响(幅度通常在mV级)，经过放大滤波处理后的有用信号已经淹没在强噪声中，无法在时域通过示波器进行观测。本发明测试装置的衰减网络如图4所示，设置的最小正弦波信号输出为1mV，然后幅值变化的分辨率设置为0.2mV，衰减网络采用9∶1，99∶1，999∶1的三级精密电阻衰减网络，最终实现了微弱信号的衰减输出。

白噪声实时产生及信号叠加输出模块如图5所示，为快速简便地获得高斯白噪声，本发明的测试装置采用数字合成方法实现，首先产生均匀分布的白噪声，然后通过一定的转换获得数字高斯白噪声，将数字高斯白噪声通过16位的数模转换器叠加到信号网络，作为最终的输出提供给待测试锁相放大器。

如图6所示，锁相放大器输出信号扫描检测模块对待测锁相放大器的锁相输出结果进行采集，并通过硬件电路将数据上传至主控单元用于待测锁相放大器的参数计算，最终将测量结果显示给用户。

待测试锁相放大器的参数主要包括：相敏特性、满刻度灵敏度、本机噪声、动态存储、输入动态范围、输出动态范围、时间常数、频率一致性、窄带滤波器性能等，以上参数均可以通过本发明的测试装置实现，下面以频率一致性和相敏特性的测量为例进行说明。

本发明的测试装置工作时，利用人机操作界面，设置本发明的测试装置输出信号及参考的参数值，就可以利用本发明一体化的测试装置完成锁相放大器指标参数的一键测试。

基于上述测试装置，本发明还提出了一种高效锁相环放大器性能测试方法，使用本发明的测试方法可以在低成本下快速简便的测试和校准锁相放大器的技术参数。

本发明的高效锁相放大器性能测试方法，采用了DDS的设计思路，通过现场可编程门阵列(FPGA)实现DDS数字移相正弦信号发生器的数字部分，并在***电路搭建高精度16位D/A转换器和噪声去除的低通滤波器，最终获得相位、频率、幅值可调的标准正弦信号；参考信号与输出信号的相位关系，主要是固定输出信号的相位和频率，调整通过输出信号关系产生的参考信号的相对相位，完成参考信号和输出信号的频率相位关系，本发明的相位分辨率可以达到1°；设置的最小正弦波信号输出为1mV，然后幅值变化的分辨率设置为0.2mV，衰减网络采用9∶1，99∶1，999∶1的三级精密电阻衰减网络，最终实现了微弱信号的衰减输出；白噪声实时产生及信号叠加输出采用数字合成方法实现，首先产生均匀分布的白噪声，然后通过一定的转换获得高斯白噪声，将数字白噪声通过16位的数模转换器叠加到信号网络，作为最终的输出提供给待测试锁相放大器；对待测锁相放大器的锁相输出结果进行采集，并通过硬件电路将数据上传至主控单元用于待测锁相放大器的参数计算，最终将测量结果显示给用户。

待测试锁相放大器的参数主要包括：相敏特性、满刻度灵敏度、本机噪声、动态存储、输入动态范围、输出动态范围、时间常数、频率一致性、窄带滤波器性能等，以上参数均可以通过本发明的测试装置实现，下面以频率一致性和相敏特性的测量为例进行说明。

频率一致性测量示例：

如果被测锁相放大器为数字锁相放大器，锁相放大器可以测量一定频率范围内的微弱周期信号，而不同频率信号幅度测试准确度是衡量其性能的重要参数，其测试方法如下：a、首先进入频率一致性测试界面，设置标准正弦输出信号的幅度为1mV，不经过衰减网络接入被测试锁相放大器；b、设置为自动改变输出标准正弦信号和参考信号的频率选项，装置将自动以1kHz为步进，从1kHz调节是100kHz；c、完成频率范围扫描后，装置将会直接绘制测试曲线和数据表格，以方便用户直观判断数字锁相放大器的频率一致性性能。

相敏特性测量示例：

锁相放大器的核心部分是相敏检波器，当输入信号与参考信号的相位差为90°时，锁相放大器的输出为零，如果两者同相，相位差为零那么检波后的输出最大，其测试方法如下：a、首先进入相敏特性测试界面，将标准正弦信号的输出设置为5kHz，幅度设置为10mV，不经过衰减网络，不叠加噪声，根据输出特性合理设置被测锁相放大器参数；b、设备将自动调节参考信号与输出信号的相位关系，直到锁相放大器的输出最小为止，此时装置将以5°为移相分辨率进行逐步移相，完成设定点数的移相后，装置将自动完成测试曲线的绘制和数据表格的导出；c、用户将根据绘制的曲线直观判断相位关系对测试结果的影响。

本发明提出的一种高效锁相放大器性能测试装置及方法，其优点主要体现在：

(1)、测试装置及方法集成化、高效率：将原本的利用函数发生器、信号衰减器、噪声发生仪、示波器、计算器等多种仪器搭建的复杂***，利用集成式电路设计进行专业化、一体化集成，大大简化了***测试的流程；同时本装置可是实时显示测试结果，仪器工作时，只需要通过人机界面将所要设置的参数设置准确后，可利用一键测试功能，完成所测试参数的实时显示，提高了锁相放大器的参数测试效率，在测试同样指标参数下，利用本发明的测试装置测试效率是现有技术方案效率的3～4倍。

(2)、测量结果高可靠性：将原本的利用函数发生器、信号衰减器、噪声发生仪、示波器、计算器等多种仪器搭建的复杂***，利用集成式电路设计进行专业化、一体化集成，减小了各种***引入的测量不确定性。

(3)、测试装置及方法高适用性：多通道信号及参考输出，使得本发明的测试装置及方法可以实现多通道信号和参考的输出，并且每个通道均可以独立进行参数的实时设置，大大适应了不同通道数量下的自相关或互相关锁相放大器的参数测试和校准，可满足现有大部分锁相放大器的参数测试。

(4)、低成本：无需搭建高成本复杂***，只需利用本发明的测试装置就可实现锁相放大器的低成本一体化参数测试，经过估算利用本发明测试装置成本可以缩减为原测试***成本的1/5。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高效锁相放大器性能测试装置，其特征在于，包括：可编程相位、频率、幅值的标准正弦信号发生模块、参考信号可编程输出模块、衰减网络、白噪声实时产生模块、信号叠加输出模块、锁相放大器输出信号扫描检测模块、人机交互界面；

测试装置工作时，首先，用户在人机交互界面上输入输出信号的幅度、频率、噪声水平；然后，可编程相位、频率、幅值标准正弦信号发生模块根据用户设置参数产生相应的被测信号；再经过衰减网络的可编程衰减后，与白噪声实时产生模块生成的白噪声通过信号叠加输出模块进行信号叠加，并通过输出接口将产生的信号传送给待测锁相放大器，同时将参考信号可编程输出模块产生的参考信号传输给待测锁相放大器；锁相放大器输出信号扫描检测模块接收来自待测锁相放大器的输出信号，利用人机交互界面将采集的数据进行算法计算，并将处理结果显示，获得锁相放大器的最终测试结果。

2.如权利要求1所述的一种高效锁相放大器性能测试装置，其特征在于，所述可编程相位、频率、幅值的标准正弦信号发生模块采用DDS设计，通过FPGA实现DDS数字移相正弦信号发生器的数字部分，并在***电路搭建高精度16位D/A转换器和噪声去除的低通滤波器，获得相位、频率、幅值可调的标准正弦信号。

3.如权利要求1所述的一种高效锁相放大器性能测试装置，其特征在于，所述参考信号可编程输出模块固定输出信号的相位和频率，调整通过输出信号关系产生的参考信号的相对相位，完成参考信号和输出信号的频率相位关系。

4.如权利要求1所述的一种高效锁相放大器性能测试装置，其特征在于，所述衰减网络设置的最小正弦波信号输出为1mV，然后幅值变化的分辨率设置为0.2mV，衰减网络采用9∶1、99∶1、999∶1的三级精密电阻衰减网络，实现了微弱信号的衰减输出。

5.如权利要求1所述的一种高效锁相放大器性能测试装置，其特征在于，所述白噪声实时产生模块及信号叠加输出模块采用数字合成方法实现，首先产生均匀分布的白噪声，然后通过转换获得数字高斯白噪声，将数字高斯白噪声通过16位的D/A转换器叠加到信号网络，作为最终的输出提供给待测试锁相放大器。

6.如权利要求1所述的一种高效锁相放大器性能测试装置，其特征在于，所述锁相放大器输出信号扫描检测模块对待测锁相放大器的锁相输出结果进行采集，并通过硬件电路将数据上传至主控单元用于待测锁相放大器的参数计算，最终将测量结果显示给用户。

7.一种高效锁相放大器性能测试方法，其特征在于，首先，用户在人机交互界面上输入输出信号的幅度、频率、噪声水平；然后，可编程相位、频率、幅值标准正弦信号发生模块根据用户设置参数产生相应的被测信号；再经过衰减网络的可编程衰减后，与白噪声实时产生模块生成的白噪声通过信号叠加输出模块进行信号叠加，并通过输出接口将产生的信号传送给待测锁相放大器，同时将参考信号可编程输出模块产生的参考信号传输给待测锁相放大器；锁相放大器输出信号扫描检测模块接收来自待测锁相放大器的输出信号，利用人机交互界面将采集的数据进行算法计算，并将处理结果显示，获得锁相放大器的最终测试结果。

8.如权利要求7所述的一种高效锁相放大器性能测试方法，其特征在于，

所述可编程相位、频率、幅值的标准正弦信号发生模块采用了DDS的设计，通过FPGA实现DDS数字移相正弦信号发生器的数字部分，并在***电路搭建16位D/A转换器和噪声去除的低通滤波器，获得相位、频率、幅值可调的标准正弦信号；

所述参考信号可编程输出模块固定输出信号的相位和频率，调整通过输出信号关系产生的参考信号的相对相位，完成参考信号和输出信号的频率相位关系；

所述衰减网络设置的最小正弦波信号输出为1mV，然后幅值变化的分辨率设置为0.2mV，衰减网络采用9∶1、99∶1、999∶1的三级精密电阻衰减网络，实现了微弱信号的衰减输出；

所述白噪声实时产生模块及信号叠加输出模块采用数字合成方法实现，首先产生均匀分布的白噪声，然后通过转换获得数字高斯白噪声，将数字高斯白噪声通过16位D/A转换器叠加到信号网络，作为最终的输出提供给待测试锁相放大器；

所述锁相放大器输出信号扫描检测模块对待测锁相放大器的锁相输出结果进行采集，并通过硬件电路将数据上传至主控单元用于待测锁相放大器的参数计算，最终将测量结果显示给用户。