專(zhuān)利名稱(chēng)：用于探測(cè)太赫茲脈沖信號(hào)的鎖相放大電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種高集成度的鎖相放大CD552-R3 電路。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代科學(xué)研究中，隨著科學(xué)技術(shù)的縱深發(fā)展，微弱信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)變得越來(lái)越 重要，已成為當(dāng)今測(cè)量技術(shù)中一門(mén)綜合性的前沿課題，運(yùn)用微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)可以測(cè)量如 微弱電信號(hào)、光信號(hào)、磁信號(hào)等利用傳統(tǒng)方法不能測(cè)量的微小物理量。因此，微弱信號(hào)檢測(cè) 技術(shù)已經(jīng)深受現(xiàn)代科學(xué)的重視，并迅速的發(fā)展。一般測(cè)量系統(tǒng)的噪聲是一種干擾信號(hào)，主要由白噪聲和低頻噪聲組成，通常這些 噪聲無(wú)法用屏蔽等方法消除。噪聲干擾信號(hào)影響測(cè)量?jī)x器的正常工作，降低儀器的探測(cè)靈 敏度。因此，為了減少噪聲的影響，常用窄帶濾波器來(lái)濾除同頻帶外的噪聲，提高儀器的信 噪比。由于一般濾波器的中心頻率并不穩(wěn)定，而且?guī)捯膊荒茈S意設(shè)定，無(wú)法適用于濾除噪 聲要求高的場(chǎng)合。鎖相放大是從背景噪聲中提取信號(hào)的常用技術(shù)，采用此技術(shù)制得的儀器稱(chēng)為鎖相 放大器。鎖相放大器(lock-in amplifier，LIA)，又稱(chēng)鎖定放大器，用于提取強(qiáng)噪聲中的微 弱信號(hào)檢測(cè)時(shí)具有抗干擾能力強(qiáng)、能獲取被測(cè)量的大小和方向的變化的優(yōu)點(diǎn)，非常有效地 提高測(cè)量精度，而被廣泛應(yīng)用于信號(hào)檢測(cè)和自動(dòng)控制。常見(jiàn)的鎖相放大電路的基本結(jié)構(gòu)，主 要由信號(hào)通道、參考通道、相位檢測(cè)器(PSD)和低通濾波器(LPF)四部分構(gòu)成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一款適用于太赫茲時(shí)域光譜儀信號(hào)采集的高性能鎖相放 大電路。技術(shù)方案如下一種用于探測(cè)太赫茲脈沖信號(hào)的鎖相放大電路，包括用于探測(cè)太赫茲脈沖信號(hào)的 光電探測(cè)器、前置放大模塊、移相模塊和相敏檢波模塊，光電探測(cè)器采集的待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)前 置放大模塊處理后接到的相敏檢波模塊的一個(gè)輸入端，參考信號(hào)經(jīng)過(guò)移相模塊的經(jīng)過(guò)移相 模塊的移相操作后接到相敏檢波模塊的另一個(gè)輸入端，由相敏檢波模塊的輸出端輸出信 號(hào)，其中，所述的前置放大模塊包括依次相連的帶通濾波電路和二階放大電路；所述的移相模塊由⑶-951V4芯片及其外圍電路組成；所述的相敏檢波模塊由⑶552-R3芯片及其外圍電路組成。作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的CD-951V4芯片的14管腳接參考信號(hào)，18管腳為輸出 端，接到相敏檢波模塊的一個(gè)輸入端，4管腳接通過(guò)電容接電源端+15V，5管腳通過(guò)電容 接-15V，7管腳接+5V，8管腳接-5乂，3、6、9、10、11、19管腳接地，16、17管腳短接；移相變位 器RV接在7、8管腳之間，其控制端接1管腳，通過(guò)調(diào)節(jié)移相變位器RV進(jìn)行移相操作。所述的⑶552-R3芯片的1管腳接前置放大模塊的輸出端，18管腳接移相模塊的輸出端，20管腳為輸出檢測(cè)信號(hào)的輸出端，4管腳接通過(guò)電容接+15V，5管腳通過(guò)電容接-15V， 6、11、15、19管腳接地，12、13管腳連接增益變位器RA兩端，同時(shí)12管腳也作為控制端，通 過(guò)改變?cè)鲆孀兾黄鱽?lái)調(diào)節(jié)內(nèi)部增益，10管腳通過(guò)電容接地。9管腳與可變電阻RH相接后和 10管腳一起通過(guò)電容接地，可變電阻RH的控制端與10管腳相接，通過(guò)改變可變電阻RH阻 值確定芯片內(nèi)置低通濾波單元的截止頻率。所 述的帶通濾波電路由DT212-DC2芯片及其外圍電路組成。所述的DT212-DC2芯片1管腳通過(guò)可變電阻RG連接待測(cè)信號(hào)，13管腳為輸出端， 連接到所述二階放大電路的輸入端，1、13管腳間通過(guò)電阻相連，1、4管腳分別接可變電阻 RQ兩端，1管腳同時(shí)作為可變電阻RQ和RG的控制端，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻RQ和RG來(lái)改變電 路的增益和品質(zhì)因數(shù)，38管腳接+5V，40管腳接+15V，34管腳接地，39管腳通過(guò)電容接地， 6、7管腳之間有電阻相連，21 32管腳為控制端口分別接開(kāi)關(guān)信號(hào)，可將管腳電平切換為 OV或+5V，改變控制端口的邏輯電平來(lái)選擇通帶頻率。所述的二階放大電路由兩組PGA103芯片和0P602芯片及其外圍芯片構(gòu)成，其每一 級(jí)放大各由一個(gè)PAG103芯片和一個(gè)0P602芯片串聯(lián)而成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用高集成度芯片⑶552-R3搭建了鎖相放大電路；整個(gè)鎖 相放大電路所用電子器件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單緊湊，整體電路體積小；處理太赫茲信號(hào)的 性能上達(dá)到市面上的商品鎖相放大器水平；造價(jià)遠(yuǎn)低于商品鎖相放大儀器；這種高集成度 CD552-R3鎖相放大電路，有利于實(shí)現(xiàn)太赫茲時(shí)域光譜儀信號(hào)探測(cè)部分的小型化。


圖1是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是帶通濾波電路圖。圖3是二階放大電路圖。圖4是移相模塊電路圖。圖5是相敏檢波模塊電路圖。圖6是測(cè)試效果圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的用于太赫茲時(shí)域光譜儀的鎖相放大電路，由4部分組成(圖 1)，包括前置放大模塊(1)，移相模塊(2)，相敏檢波模塊(3)，光電探測(cè)器(4)組成。待測(cè)信 號(hào)經(jīng)前置放大模塊(1)連接于相敏檢波模塊(3)，參考信號(hào)經(jīng)移相模塊(2)連接于相敏檢波 模塊(3)，從相敏檢波模塊的輸出端得到信號(hào)。由于太赫茲時(shí)域光譜儀的輸出信號(hào)是由光電探測(cè)器(4)獲得，環(huán)境光的影響很 大，原始信號(hào)除了微伏級(jí)的有用信號(hào)外還有大量毫伏級(jí)的環(huán)境背景噪聲，有用信號(hào)非常小。 由此，必須首先經(jīng)過(guò)一定的放大，達(dá)到后續(xù)相敏檢波模塊的輸入閾值水平。但是，如果直接 將所有輸入信號(hào)一起直接放大，被放大了的環(huán)境噪聲信號(hào)，必將超出相敏檢波芯片的輸入 極限，輕則失真，重則燒毀芯片而不能工作。因此，必須先進(jìn)行帶通濾波，濾除大量非調(diào)制頻 帶內(nèi)的信號(hào)后再進(jìn)行放大。本發(fā)明的鎖相放大的基本原理如下
設(shè)參考信號(hào)r(t)，周期為T(mén)，角頻率ω，幅值是\的方波信號(hào)，由傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)
形式為
r(0 = ^+ Tb sin(nat) = ^ +^―sin(2 -\)ω (1)
2 t^i 2π 二2 -1被測(cè)信號(hào)Vs被與參考信號(hào)頻率相同的載波信號(hào)調(diào)制后，獲得的輸入信號(hào)x(t)，其 周期和角頻率與參考信號(hào)相同，幅值為Vs，可表示為χ (t) = VsSin ( ω t+ θ )⑵則⑴式與⑵式的相乘后相敏檢波模塊的輸出Up(t)為u(t) = x(i)r(0 = —sin(iyi + θ) _ ^Zl V cos[(2 - 2)ω - θ]
2π 2 -1
γ γ “ ι+-^y-cos(2 iyi + θ)(3)
π式(3)中η為整數(shù)。經(jīng)過(guò)低通濾波器(LPF)后，把式(3)中η > 1的差頻項(xiàng)和所
有的和頻項(xiàng)均被濾除，只剩η = 1的差頻項(xiàng)u。，整理得
U0 =^COS(0)(4)
π由公式⑷可以得出相敏檢波模塊的輸出U。與W的乘積項(xiàng)成正比，與輸入信 號(hào)和參考信號(hào)的相位差θ的余弦成正比。如果x(t)中引入與有用信號(hào)不同頻率的噪聲a， 在式(3)中也只會(huì)增加與a有關(guān)的周期項(xiàng)，會(huì)在低通濾波后去除，不影響輸出結(jié)果，以此可 以達(dá)到去噪目的。前置放大模塊(1)由帶通濾波電路(圖2)和二階放大電路組成(圖3)。其中帶通 濾波電路由DT212-DC2芯片及其外圍電路組成，這是一塊可編程控制芯片，1管腳是信號(hào)輸 入口，接從光電傳感器出來(lái)的信號(hào)，13管腳是信號(hào)輸出口，接后面二階放大電路的輸入端， 21 32管腳是邏輯控制管腳，通過(guò)改變他們的高低電平可以選擇帶通濾波電路的中心頻 率，范圍IOOHz 159. 9KHz，由于實(shí)例中調(diào)制頻率是1100Hz，所以只用21 25管腳，同時(shí)在 電路中加入RG和RQ用于調(diào)節(jié)濾波電路的增益和品質(zhì)因數(shù)，從帶通濾波電路出來(lái)的信號(hào)除 中心頻率附近的信號(hào)被放大外，其他頻段的信號(hào)將被極大衰減，初步提高了信噪比。從帶通 濾波電路來(lái)的信號(hào)仍然沒(méi)有達(dá)到相敏檢波模塊的輸入水平，由二階放大電路繼續(xù)放大。二 階放大電路由兩級(jí)放大組成，每一級(jí)放大由一塊PAG103和一塊0P602組成，PAG103是一塊 程控放大電路4管腳輸入，7管腳輸出，放大倍率由AO和Al管腳的高低電平?jīng)Q定，可以線(xiàn)性 放大10倍或100倍，但由于PAG存在失調(diào)電壓，輸入為0時(shí)輸出不為0，因此用0P602作為 失調(diào)電壓調(diào)整電路，在第一次運(yùn)行前調(diào)整完即可。這樣經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后，在實(shí)例中信號(hào)被放 大了 1000倍，滿(mǎn)足了相敏檢波模塊的輸入要求。式⑷的結(jié)論可以看出，原始信號(hào)和參考信號(hào)的相位差θ起了至關(guān)緊要的作用， 運(yùn)行時(shí)需要將θ調(diào)整到0附近。移相模塊(2)由⑶-951V4芯片及其外圍電路組成。如圖 4所示，14管腳輸入接參考信號(hào)，18管腳輸出接相敏檢波模塊，1管腳用于相位調(diào)節(jié)，范圍 士 100°。只要在運(yùn)行之時(shí)，調(diào)節(jié)電位器RV使最終輸出最大即可。
相敏檢波模塊(3)由⑶552-R3芯片及其外圍電路組成，其內(nèi)部集成了乘法器和低 通濾波器。如圖5所示，1管腳接前置放大模塊的輸出，18管腳接移相模塊的輸出，20管腳 為最終信號(hào)輸出，管腳9、10之間的電阻RH用于調(diào)節(jié)低通濾波器的截止頻率，管腳12、13之 間的電阻RA用于調(diào)節(jié)乘法器的內(nèi)部增益。本發(fā)明的特點(diǎn)有待測(cè)信號(hào)為微伏(μ V，ΙΟ"6)級(jí)弱電壓信號(hào)，所含電噪聲信號(hào)為毫伏(mV，10_3)級(jí)， 電噪聲信號(hào)強(qiáng)度高于有效信號(hào)IO3倍。通過(guò)本發(fā)明的鎖相放大電路后，輸出電壓信號(hào)信噪 比達(dá)到50 1以上，主要應(yīng)用于太赫茲時(shí)域光譜儀信號(hào)采集等小信號(hào)強(qiáng)背景噪聲場(chǎng)合。以下為一個(gè)具體實(shí)例及測(cè)試效果 電路參數(shù)設(shè)定如下帶通濾波電路品質(zhì)因數(shù)10，增益5，通帶中心頻率IlOOHz ；二 階放大電路增益1000倍，相敏檢波模塊內(nèi)部增益10，低通截止頻率1Hz。輸入信號(hào)由天津 大學(xué)自行研制的THz時(shí)域光譜儀提供，斬波器頻率設(shè)為1100Hz，光學(xué)延遲線(xiàn)速度為15um/s。 測(cè)試效果如圖6所示。
權(quán)利要求
一種用于探測(cè)太赫茲脈沖信號(hào)的鎖相放大電路，包括用于探測(cè)太赫茲脈沖信號(hào)的光電探測(cè)器、前置放大模塊、移相模塊和相敏檢波模塊，其特征在于，光電探測(cè)器采集的待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大模塊處理后接到的相敏檢波模塊的一個(gè)輸入端，參考信號(hào)經(jīng)過(guò)移相模塊的移相操作后接到相敏檢波模塊的另一個(gè)輸入端，由相敏檢波模塊的輸出端輸出信號(hào)，其中，所述的前置放大模塊包括依次相連的帶通濾波電路和二階放大電路；所述的移相模塊由CD 951V4芯片及其外圍電路組成；所述的相敏檢波模塊由CD552 R3芯片及其外圍電路組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎖相放大電路，其特征在于，所述的CD-951V4芯片的14管 腳接參考信號(hào)，18管腳為輸出端，接到相敏檢波模塊的一個(gè)輸入端，4管腳接通過(guò)電容接電 源端+15V，5管腳通過(guò)電容接-15V，7管腳接+5V，8管腳接-5V，3、6、9、10、11、19管腳接地， 16、17管腳短接；移相變位器RV接在7、8管腳之間，其控制端接1管腳，通過(guò)調(diào)節(jié)移相變位 器RV進(jìn)行移相操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎖相放大電路，其特征在于，所述的CD552-R3芯片的1管 腳接前置放大模塊的輸出端，18管腳接移相模塊的輸出端，20管腳為輸出檢測(cè)信號(hào)的輸出 端，4管腳接通過(guò)電容接+15V，5管腳通過(guò)電容接-15V，6、11、15、19管腳接地，12、13管腳連 接增益變位器RA兩端，同時(shí)12管腳也作為控制端，通過(guò)改變?cè)鲆孀兾黄鱽?lái)調(diào)節(jié)內(nèi)部增益， 10管腳通過(guò)電容接地。9管腳與可變電阻RH相接后和10管腳一起通過(guò)電容接地，可變電 阻RH的控制端與10管腳相接，通過(guò)改變可變電阻RH阻值確定芯片內(nèi)置低通濾波單元的截 止頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎖相放大電路，其特征在于，所述的帶通濾波電路由 DT212-DC2芯片及其外圍電路組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鎖相放大電路，其特征在于，所述的DT212-DC2芯片1管腳通 過(guò)可變電阻RG連接待測(cè)信號(hào)，13管腳為輸出端，連接到所述二階放大電路的輸入端，1、13 管腳間通過(guò)電阻相連，1、4管腳分別接可變電阻RQ兩端，1管腳同時(shí)作為可變電阻RQ和RG 的控制端，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻RQ和RG來(lái)改變電路的增益和品質(zhì)因數(shù)，38管腳接+5V，40管 腳接+15V，34管腳接地，39管腳通過(guò)電容接地，6、7管腳之間有電阻相連，21 32管腳為控 制端口分別接開(kāi)關(guān)信號(hào)，可將管腳電平切換為OV或+5V，改變控制端口的邏輯電平來(lái)選擇 通帶頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎖相放大電路，其特征在于所述的二階放大電路由兩組 PGA103芯片和0P602芯片及其外圍芯片構(gòu)成，其每一級(jí)放大各由一個(gè)PAG103芯片和一個(gè) 0P602芯片串聯(lián)而成。
全文摘要
本發(fā)明屬于微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于探測(cè)太赫茲脈沖信號(hào)的鎖相放大電路，包括用于探測(cè)太赫茲脈沖信號(hào)的光電探測(cè)器、前置放大模塊、移相模塊和相敏檢波模塊，其特征在于，光電探測(cè)器采集的待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大模塊處理后接到的相敏檢波模塊的一個(gè)輸入端，參考信號(hào)經(jīng)過(guò)移相模塊的移相操作后接到相敏檢波模塊的另一個(gè)輸入端，由相敏檢波模塊的輸出端輸出信號(hào)，其中，所述的前置放大模塊包括依次相連的帶通濾波電路和二階放大電路；所述的移相模塊由CD-951V4芯片及其外圍電路組成；所述的相敏檢波模塊由CD552-R3芯片及其外圍電路組成。本發(fā)明能夠檢測(cè)噪聲達(dá)到毫伏級(jí)的微伏級(jí)微小電壓信號(hào)，輸出信號(hào)信噪比達(dá)到50∶1以上，適用于太赫茲時(shí)域光譜儀信號(hào)采集等小信號(hào)強(qiáng)背景噪聲場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H03F7/00GK101964633SQ201010515320
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者何明霞, 曲秋紅, 李萌, 王昌雷, 邢岐榮 申請(qǐng)人:天津大學(xué)