專利名稱：小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路及方法。
背景技術(shù)：
鎖相放大器作為一種信號恢復(fù)儀器。在弱信號測量中的重要作用，已經(jīng)引起人們越來越廣泛地重視。由于它具有優(yōu)良的輸出穩(wěn)定性和強有力濾除噪聲的能力，并能將深埋在吸聲中的弱信號提取出來加以放大，因而廣泛地應(yīng)用于信號平均器、信號相關(guān)器、光子計數(shù)器、超導(dǎo)測晝及一切需要恢復(fù)并測量深埋在噪聲中的弱信號的場合。
鎖相放大器采用在無線電電路中已經(jīng)非常成熟的外差式振蕩技術(shù)，把被測量的信號通過頻率變換的方式轉(zhuǎn)變成為直流。
在外差式振蕩技術(shù)中被稱為本地振蕩(Local Oscillation)的、用于做乘法運算的信號，在鎖相放大器中被稱為參照信號，是從外面輸入的。鎖相放大器能夠(從被測量信號中)檢測出與這個參照信號頻率相同的分量。在被測量的信號里所包含的各種信號分量中，只有與參照信號頻率相同的那個分量才會被轉(zhuǎn)換成為直流，因而才能夠通過低通濾波器(LPF)。其他頻率的分量因為被轉(zhuǎn)換成為頻率不等于零的交流信號，所以被低通濾波器(LPF)濾除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種廉價的的小型數(shù)控鎖相放大器，利用普通的集成電路，實現(xiàn)鎖相放大系統(tǒng)的程控化，小型化。
其特征在于(1)信號檢測過程完全實現(xiàn)計算機控制，控制信號采用TTL電平，可方便的與任何計算計系統(tǒng)連接。
(2)利用常見的市售集成電路，小型，廉價，可靠，性能足以滿足普通用戶的需要。
一種小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路的方法，待測量信號與參考信號輸入到乘法器，經(jīng)過乘法器相乘后產(chǎn)生中間信號，中間信號經(jīng)過低通濾波器后，產(chǎn)生輸出信號，輸出信號與待測量信號的幅值成正比。
一種小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路，由程控振蕩器(1)，相敏檢波器(3)，程控移相器(4)，低通濾波器(5)組成，程控振蕩器(1)輸入端連接于程控移相器(4)輸入端，程控移相器(4)的輸出端連接于相敏檢波器(3)，相敏檢波器(3)的輸出端連接于低通濾波器(5)。
在程控移相器(4)的輸入端和相敏檢波器(3)的輸入端之間連接有待測樣品電路(2)。
程控移相器(4)由電阻Rt連接于軟件開關(guān)(8)輸入端與由Rt、RF、Ct運算放大器(7)構(gòu)成的RC移相器組成，軟件開關(guān)(8)連接于運算放大器(7)的輸入端。
軟件開關(guān)(8)是AD7501。
程控移相器(4)由兩級電路串聯(lián)組成。
可采用通用解調(diào)芯片構(gòu)成程控小型鎖相放大器。


圖1是本發(fā)明的理論原理示意圖。
圖2是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是程控移相電路示意圖。
具體實施例方式
如圖1示意的那樣，頻率變換是通過乘法運算來進行的。
1待測量信號為Asin(ωt+α)，2參考信號為sin(ωt+β)，經(jīng)過3乘法器相乘后的6中間信號為Asin(ωt+α)*sin(ωt+β)＝Acos(β-α)/2-Acos(2ωt+α+β)/2。
經(jīng)過4低通濾波器后，頻率為2ω的高頻分量Acos(2ωt+α+β)/2被慮掉，僅剩下頻率為0的5輸出信號為Acos(β-α)/2，與1待測量信號的幅值成正比，達到的檢測微小信號的目的。
一般的乘法運算模擬電路，其線性程度和溫度穩(wěn)定性都存在問題。所以，在本發(fā)明中，采用開關(guān)元件進行同步檢波，由此實現(xiàn)頻率變換。由開關(guān)元件所進行的同步檢波電路，稱作PSD(相敏檢波器，PhaseSensitive Detector)，這是組成鎖相放大器的心臟部分。
本發(fā)明采用頻率為ω的方波作為參照信號，與參照信號同步使被測量信號的極性翻轉(zhuǎn)，也就是在×1/×(-1)這兩者之間進行切換，這相當于待測量信號與方波相乘，方波展開為傅立葉級數(shù)為4πΣn=0∞12n+1sin[(2n+1)(ωt+β)],]]>與1待測量信號為Asin(ωt+α)相乘后為2AπΣ2n+1∞cos{ω[1±(2n+1)]t+[α±(2n+1)β]},]]>經(jīng)過4低通濾波器后的直流分量為(2A)/πcos(α-β)，與1待測量信號的幅值成正比。本發(fā)明采用Analog Devices公司的AD630解調(diào)器作為PSD。
PSD的輸出信號會由于被測量信號與參照信號之間的相位差，而產(chǎn)生很大的變化。由此，低通濾波器(LPF)的輸出信號(也就是鎖相放大器測量所得到的值)也會產(chǎn)生變化。
除了相位差為0°之外，在其他狀態(tài)下不能很好地測量被測信號的大小。這樣，就需要把參照信號與被測量信號之間的相位差調(diào)節(jié)到0°，然后再輸入到PSD。這個相位調(diào)節(jié)的電路，稱作移相電路(Phase Shifter)，是鎖相放大器中必不可少的電路。
根據(jù)原理，如圖2所示，本發(fā)明的電路包括1程控振蕩器，由D/A芯片和壓控振蕩器構(gòu)成，產(chǎn)生參照信號和提供給2待測樣品的輸入信號。
2待測樣品，為具有一定阻抗或等價于一定阻抗的待測電路，其阻抗即為待測的參數(shù)。
3相敏檢波器，將參照信號轉(zhuǎn)變成方波，采用開關(guān)元件進行同步檢波，由此實現(xiàn)頻率變換，在被測量的信號里所包含的各種信號分量中，只有與參照信號頻率相同的那個分量才會被轉(zhuǎn)換成為直流，其他頻率的分量因為被轉(zhuǎn)換成為頻率不等于零的交流信號4程控移相器，如圖3所示，根據(jù)計算機的指令控制軟件開關(guān)(8)各通道的通斷，改變由運算放大器(7)構(gòu)成的RC移相器的Rt值，從而改變輸入?yún)⒄招盘?6)相位，使輸出信號(9)與待測信號相位一致。相移量Ф(ω)＝2tan-1(ω/RtCt)。
5低通濾波器，濾除其他頻率的分量因為被轉(zhuǎn)換成的交流信號，允許通過與參照信號頻率相同的分量轉(zhuǎn)變成的直流信號通過。
權(quán)利要求
1.一種小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路的方法，其特征在于，待測量信號與參考信號輸入到乘法器，經(jīng)過乘法器相乘后產(chǎn)生中間信號，中間信號經(jīng)過低通濾波器后，產(chǎn)生輸出信號，輸出信號與待測量信號的幅值成正比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鎖相放大器的數(shù)字控制電路的方法，其特征在于，待測量信號為Asin(ωt+α)，參考信號為sin(ωt+β)，中間信號為A[cos(β-α)/2-cos(2ωt+α+β)/2]，經(jīng)過低通濾波器后，輸出信號為Acos(β-α)/2。
3.一種小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路，由程控振蕩器(1)，相敏檢波器(3)，程控移相器(4)，低通濾波器(5)組成，其特征在于，程控振蕩器(1)輸入端連接于程控移相器(4)輸入端，程控移相器(4)的輸出端連接于相敏檢波器(3)，相敏檢波器(3)的輸出端連接于低通濾波器(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路，其特征在于，在程控移相器(4)的輸入端和相敏檢波器(3)的輸入端之間連接有待測樣品電路(2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路，其特征在于，程控移相器(4)由電阻Rt連接于軟件開關(guān)(8)輸入端與由Rt、RF、Ct運算放大器(7)構(gòu)成的RC移相器組成，軟件開關(guān)(8)連接于運算放大器(7)的輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路，其特征在于，軟件開關(guān)(8)是AD7501。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路，其特征在于，程控移相器(4)由兩級電路串聯(lián)組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路，其特征在于，可采用通用解調(diào)芯片構(gòu)成程控小型鎖相放大器。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路，其特征在于，相敏檢波器(3)采用AD630。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)控電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路及方法。方法包括待測量信號與參考信號輸入到乘法器，經(jīng)過乘法器相乘后產(chǎn)生中間信號，中間信號經(jīng)過低通濾波器后，產(chǎn)生輸出信號。電路包括程控振蕩器(1)，相敏檢波器(3)，程控移相器(4)，低通濾波器(5)。
文檔編號H03D7/00GK1885043SQ20051001198
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者鞏祥鵬, 張虹 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所