CN1885043A - 小型锁相放大器的数字控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控电路技术领域，特别是一种小型锁相放大器的数字控制电路及方法。方法包括：待测量信号与参考信号输入到乘法器，经过乘法器相乘后产生中间信号，中间信号经过低通滤波器后，产生输出信号。电路包括：程控振荡器(1)，相敏检波器(3)，程控移相器(4)，低通滤波器(5)。

Description

小型锁相放大器的数字控制电路及方法

技术领域

本发明涉及数控电路技术领域，特别是一种小型锁相放大器的数字控制电路及方法。

背景技术

锁相放大器作为一种信号恢复仪器。在弱信号测量中的重要作用，已经引起人们越来越广泛地重视。由于它具有优良的输出稳定性和强有力滤除噪声的能力，并能将深埋在吸声中的弱信号提取出来加以放大，因而广泛地应用于信号平均器、信号相关器、光子计数器、超导测昼及一切需要恢复并测量深埋在噪声中的弱信号的场合。

锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。

在外差式振荡技术中被称为本地振荡(Local Oscillation)的、用于做乘法运算的信号，在锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。锁相放大器能够(从被测量信号中)检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器(LPF)。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器(LPF)滤除。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种廉价的的小型数控锁相放大器，利用普通的集成电路，实现锁相放大***的程控化，小型化。

其特征在于：

(1)信号检测过程完全实现计算机控制，控制信号采用TTL电平，可方便的与任何计算计***连接。

(2)利用常见的市售集成电路，小型，廉价，可靠，性能足以满足普通用户的需要。

一种小型锁相放大器的数字控制电路的方法，待测量信号与参考信号输入到乘法器，经过乘法器相乘后产生中间信号，中间信号经过低通滤波器后，产生输出信号，输出信号与待测量信号的幅值成正比。

一种小型锁相放大器的数字控制电路，由程控振荡器(1)，相敏检波器(3)，程控移相器(4)，低通滤波器(5)组成，程控振荡器(1)输入端连接于程控移相器(4)输入端，程控移相器(4)的输出端连接于相敏检波器(3)，相敏检波器(3)的输出端连接于低通滤波器(5)。

在程控移相器(4)的输入端和相敏检波器(3)的输入端之间连接有待测样品电路(2)。

程控移相器(4)由电阻Rt连接于软件开关(8)输入端与由R_t、R_F、C_t运算放大器(7)构成的RC移相器组成，软件开关(8)连接于运算放大器(7)的输入端。

软件开关(8)是AD7501。

程控移相器(4)由两级电路串联组成。

可采用通用解调芯片构成程控小型锁相放大器。

附图说明

图1是本发明的理论原理示意图。

图2是本发明的电路结构示意图。

图3是程控移相电路示意图。

具体实施方式

如图1示意的那样，频率变换是通过乘法运算来进行的。

1待测量信号为：Asin(ωt+α)，

2参考信号为sin(ωt+β)，

经过3乘法器相乘后的6中间信号为：Asin(ωt+α)*sin(ωt+β)＝Acos(β-α)/2-Acos(2ωt+α+β)/2。

经过4低通滤波器后，频率为2ω的高频分量Acos(2ωt+α+β)/2被虑掉，仅剩下频率为0的5输出信号为：Acos(β-α)/2，与1待测量信号的幅值成正比，达到的检测微小信号的目的。

一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。所以，在本发明中，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换。由开关元件所进行的同步检波电路，称作PSD(相敏检波器，PhaseSensitive Detector)，这是组成锁相放大器的心脏部分。

本发明采用频率为ω的方波作为参照信号，与参照信号同步使被测量信号的极性翻转，也就是在×1/×(-1)这两者之间进行切换，这相当于待测量信号与方波相乘，方波展开为傅立叶级数为：

$\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin \left[(2n+1)(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\β})\right],$

与1待测量信号为Asin(ωt+α)相乘后为：

$\frac{2A}{\mathrm{\π}}\underset{2n+1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left\{\mathrm{\ω}\right[1\±(2n+1)]t+[\mathrm{\α}\±(2n+1)\mathrm{\β}\left]\right\},$

经过4低通滤波器后的直流分量为：(2A)/πcos(α-β)，与1待测量信号的幅值成正比。本发明采用Analog Devices公司的AD630解调器作为PSD。

PSD的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的相位差，而产生很大的变化。由此，低通滤波器(LPF)的输出信号(也就是锁相放大器测量所得到的值)也会产生变化。

除了相位差为0°之外，在其他状态下不能很好地测量被测信号的大小。这样，就需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0°，然后再输入到PSD。这个相位调节的电路，称作移相电路(Phase Shifter)，是锁相放大器中必不可少的电路。

根据原理，如图2所示，本发明的电路包括：

1程控振荡器，由D/A芯片和压控振荡器构成，产生参照信号和提供给2待测样品的输入信号。

2待测样品，为具有一定阻抗或等价于一定阻抗的待测电路，其阻抗即为待测的参数。

3相敏检波器，将参照信号转变成方波，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换，在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号

4程控移相器，如图3所示，根据计算机的指令控制软件开关(8)各通道的通断，改变由运算放大器(7)构成的RC移相器的R_t值，从而改变输入参照信号(6)相位，使输出信号(9)与待测信号相位一致。相移量Ф(ω)＝2tan-1(ω/R_tC_t)。

5低通滤波器，滤除其他频率的分量因为被转换成的交流信号，允许通过与参照信号频率相同的分量转变成的直流信号通过。

Claims (9)

1.一种小型锁相放大器的数字控制电路的方法，其特征在于，待测量信号与参考信号输入到乘法器，经过乘法器相乘后产生中间信号，中间信号经过低通滤波器后，产生输出信号，输出信号与待测量信号的幅值成正比。

2.根据权利要求1的锁相放大器的数字控制电路的方法，其特征在于，待测量信号为：Asin(ωt+α)，参考信号为sin(ωt+β)，中间信号为：A[cos(β-α)/2-cos(2ωt+α+β)/2]，经过低通滤波器后，输出信号为：Acos(β-α)/2。

3.一种小型锁相放大器的数字控制电路，由程控振荡器(1)，相敏检波器(3)，程控移相器(4)，低通滤波器(5)组成，其特征在于，程控振荡器(1)输入端连接于程控移相器(4)输入端，程控移相器(4)的输出端连接于相敏检波器(3)，相敏检波器(3)的输出端连接于低通滤波器(5)。

4.根据权利要求3的小型锁相放大器的数字控制电路，其特征在于，在程控移相器(4)的输入端和相敏检波器(3)的输入端之间连接有待测样品电路(2)。

5.根据权利要求3的小型锁相放大器的数字控制电路，其特征在于，程控移相器(4)由电阻R_t连接于软件开关(8)输入端与由R_t、R_F、C_t运算放大器(7)构成的RC移相器组成，软件开关(8)连接于运算放大器(7)的输入端。

6.根据权利要求5的小型锁相放大器的数字控制电路，其特征在于，软件开关(8)是AD7501。

7.根据权利要求5的小型锁相放大器的数字控制电路，其特征在于，程控移相器(4)由两级电路串联组成。

8.根据权利要求3的小型锁相放大器的数字控制电路，其特征在于，可采用通用解调芯片构成程控小型锁相放大器。

9.根据权利要求3的小型锁相放大器的数字控制电路，其特征在于，相敏检波器(3)采用AD630。

Images