[发明专利]一种数字锁相放大器

说明书

技术领域

本发明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。

技术背景

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。

发明内容

本发明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。

本发明通过以下技术方案实现其发明目的。

本发明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。本发明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。

本发明将所述乘法器，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为本发明的模块示意图；

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。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。