CN1885043A - 小型锁相放大器的数字控制电路及方法 - Google Patents
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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
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Rt、RF、Ct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:
与1待测量信号为Asin(ωt+α)相乘后为:
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Rt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/RtCt)。
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Rt连接于软件开关(8)输入端与由Rt、RF、Ct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。
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CN 200510011984 CN1885043A (zh) | 2005-06-23 | 2005-06-23 | 小型锁相放大器的数字控制电路及方法 |
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