專利名稱：鎖相放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及模擬電路及儀器設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種檢測微弱信號并用于穩(wěn) 定外腔半導(dǎo)體激光器頻率的鎖相放大器。
背景技術(shù)：
近年來，在可飽和吸收光譜的研究中往往需要把激光頻率鎖定在某些精細結(jié)構(gòu)的 峰值或谷底位置，因此需要對非常微弱的光電信號進行檢測及鎖定。然而無用的噪聲及干 擾總是伴隨著出現(xiàn)，特別是噪聲功率超過待測信號功率時，需要用微弱信號檢測儀器來檢 測原始信號并對原始信號進行相應(yīng)的鎖定。現(xiàn)有的鎖相放大器(Lock-in Amplifier)實際上是一個模擬相關(guān)器，其是利用信 號與噪聲的互不相關(guān)性來抑制噪聲的設(shè)備，由信號通道、參考通道和相關(guān)器等部件組成。然而，現(xiàn)有的鎖相放大器僅適用于微弱信號的檢測，如何實現(xiàn)對激光光譜領(lǐng)域深 埋在噪聲中的微弱信號進行檢測以及鎖定，即得到一種穩(wěn)定外腔半導(dǎo)體激光器頻率的鎖相 放大器是目前亟待解決的問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題之一。為此，本實用新型的實施例提出一種能夠?qū)雽?dǎo)體激光器波長鎖定在特定頻率的 鎖相放大器。根據(jù)本實用新型的一個方面，本實用新型實施例提出了一種鎖相放大器，所述鎖 相放大器包括串聯(lián)連接的相位檢波電路和比例、積分、微分PID控制電路，所述相位檢波電 路利用TTL方波參考信號檢測調(diào)制有同頻率sin信號的飽和吸收光譜信號，得到直流信號 并輸入到所述PID控制電路；所述PID控制電路對所述直流信號分別進行比例P、積分I、微 分D運算得到PID控制信號，并結(jié)合所述PID控制信號以及與所述參考信號同頻率的預(yù)定 sin調(diào)制信號，輸出控制信號到外腔半導(dǎo)體激光器上進行頻率鎖定。根據(jù)本實用新型進一步的實施例，所述相位檢波電路包括同相放大器，所述同相 放大器對所述飽和吸收光譜信號進行增益放大；差分輸入放大器，所述差分輸入放大器將 經(jīng)過所述同相放大器放大的信號進行差分放大；帶通濾波器，所述帶通濾波器將所述差分 輸入放大器輸出的差分放大信號進行濾波，以消除其中的諧波信號；移相器，所述移相器將 所述帶通濾波器輸出的信號進行相應(yīng)地相移；相敏檢測器，所述相敏檢測器將所述移相器 輸出的信號與所述參考信號相乘，并輸出對應(yīng)所述sin信號的相敏檢測信號；低通濾波器， 所述低通濾波器將所述相敏檢測信號進行低通濾波，除去其中與所述參考信號頻率不同的 成分以得到所述直流信號。根據(jù)本實用新型進一步的實施例，所述PID控制電路包括前置放大器，所述前置 放大器對所述直流信號進行增益；PID運算電路，所述PID運算電路對增益后的信號分別進 行比例P、積分I、微分D運算并反相相加以得到PID控制信號；第一電位器，所述第一電位器對PID控制信號的輸出范圍進行調(diào)節(jié)；加法器，所述加法器將輸出的PID控制信號以及所 述預(yù)定sin調(diào)制信號進行相加得到所述控制信號。根據(jù)本實用新型再一步的實施例，所述PID控制電路還包括I積分復(fù)位電路，在所 述PID運算電路的積分I運算輸出飽和時，所述I積分復(fù)位電路將積分I運算輸出復(fù)位到 0。所述I積分復(fù)位電路包括串列的窗口比較器和模擬電子開關(guān)，所述窗口比較器的同相輸 入端設(shè)定比較上限電壓，反相輸入端設(shè)定比較下限電壓，并將所述比較上限電壓和所述下 限電壓與積分I運算對應(yīng)輸出進行比較；所述模擬電子開關(guān)根據(jù)所述窗口比較器的比較結(jié) 果控制斷開或閉合。本實用新型的鎖相放大器通過飽和吸收光譜信號將外腔半導(dǎo)體激光器波長鎖定 在特定頻率，本實用新型主要適用于半導(dǎo)體激光頻率的鎖定。該鎖相放大器是由相位檢波 電路及帶自動復(fù)位功能的PID控制電路組成。在環(huán)境溫度漲落小于2攝氏度、周圍無強振 動條件下，該鎖相放大器對半導(dǎo)體激光器頻率的連續(xù)鎖定時間在100小時以上。該鎖相放大器還可廣泛利用于冷原子物理、激光光譜、量子信息等領(lǐng)域測量深埋 在噪聲中的微弱信號。本實用新型附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述 中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。

本實用新型的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從
以下結(jié)合附圖對實施例的描述中 將變得明顯和容易理解，其中圖1為本實用新型實施例的鎖相放大器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(a)為本實用新型實施例輸入的飽和吸收光譜信號在上升沿時相位檢波電路 檢測的輸出信號；圖2(b)為本實用新型實施例輸入的飽和吸收光譜信號在下降沿時相位檢波電路 檢測的輸出信號；圖3為本實用新型實施例輸入的飽和吸收光譜信號與參考信號在不同相位差下 的輸入/輸出波形圖；圖4為本實用新型實施例的相位檢波電路示意圖；圖5為本實用新型實施例的TTL方波信號及Sin調(diào)制信號發(fā)生電路；圖6為本實用新型實施例的PID控制電路示意圖；圖7為本實用新型實施例的I積分復(fù)位電路示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的 限制?，F(xiàn)在參考圖1，該圖為本實用新型實施例的鎖相放大器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，鎖相放大器主要包括相位檢波電路(PSD)以及比例⑵、積分⑴、微分(D)PID控制電路兩大部分。相位檢波電路利用TTL方波參考信號檢測調(diào)制有同頻率sin信號的飽和吸收光譜 信號，得到直流信號，并輸入到與其串聯(lián)的PID控制電路中。PID控制電路對所述直流信號分別進行比例P、積分I、微分D運算得到PID控制信 號，并結(jié)合所述PID控制信號以及與所述參考信號同頻率的預(yù)定sin調(diào)制信號，輸出控制信 號到外腔半導(dǎo)體激光器上進行頻率鎖定。下面，將結(jié)合附圖所示具體實施例對本實用新型的鎖相放大器工作原理作出詳細 描述。輸入相位檢波電路的飽和吸收光譜信號中調(diào)制有sin信號，這里通過消多普勒飽 和吸收光路，用光敏探頭來檢測激光的頻率信號。激光鎖定的原理是通過鎖相放大器在壓電陶瓷(PZT)的輸出上產(chǎn)生一個比較小 的，頻率為com。d的正弦波調(diào)制信號(正弦波調(diào)制信號幅度一般在5-10mV之間)。這樣，激 光在原來頻率為的基礎(chǔ)上，會產(chǎn)生Δ ω的頻率變化(這里要求Δ ω << FWHM(譜帶 半高全寬))，即激光頻率ω (t)會被輕微的調(diào)制為ω ⑴=ω0+Δ ω Xsin(COmodXt)這樣，光敏探頭檢測到的信號S (t)會相應(yīng)變成S(t)=S0+S' (co0)XAcoXsin(comodXt)其中Stl為在激光頻率為Oci的信號，S' (Coci)為信號在激光頻率為(Oci的斜率， Δω為信號調(diào)制的幅度。將該信號，即調(diào)制有sin信號的飽和吸收光譜信號輸入到鎖相放 大器的相位檢波電路輸入端。在鎖相放大器的中，調(diào)制有sin信號的飽和吸收光譜信號S(t)會與調(diào)制信號即參 考信號相乘，即有S
權(quán)利要求一種鎖相放大器，其特征在于，所述鎖相放大器包括串聯(lián)連接的相位檢波電路和比例、積分、微分PID控制電路，所述相位檢波電路利用TTL方波參考信號檢測調(diào)制有同頻率sin信號的飽和吸收光譜信號，得到直流信號并輸入到所述PID控制電路；所述PID控制電路對所述直流信號分別進行比例P、積分I、微分D運算得到PID控制信號，并結(jié)合所述PID控制信號以及與所述參考信號同頻率的預(yù)定sin調(diào)制信號，輸出控制信號到外腔半導(dǎo)體激光器上進行頻率鎖定。
2.如權(quán)利要求1所述的鎖相放大器，其特征在于，所述相位檢波電路包括 同相放大器，所述同相放大器對所述飽和吸收光譜信號進行增益放大；差分輸入放大器，所述差分輸入放大器將經(jīng)過所述同相放大器放大的信號進行差分放大；帶通濾波器，所述帶通濾波器將所述差分輸入放大器輸出的差分放大信號進行濾波， 以消除其中的諧波信號；移相器，所述移相器將所述帶通濾波器輸出的信號進行相應(yīng)地相移； 相敏檢測器，所述相敏檢測器將所述移相器輸出的信號與所述參考信號相乘，并輸出 對應(yīng)所述sin信號的相敏檢測信號；低通濾波器，所述低通濾波器將所述相敏檢測信號進行低通濾波，除去其中與所述參 考信號頻率不同的成分以得到所述直流信號。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鎖相放大器，其特征在于，所述PID控制電路包括 前置放大器，所述前置放大器對所述直流信號進行增益；PID運算電路，所述PID運算電路對增益后的信號分別進行比例P、積分I、微分D運算 并反相相加以得到PID控制信號；第一電位器，所述第一電位器對PID控制信號的輸出范圍進行調(diào)節(jié)； 加法器，所述加法器將輸出的PID控制信號以及所述預(yù)定sin調(diào)制信號進行相加得到 所述控制信號。
4.如權(quán)利要求3所述的鎖相放大器，其特征在于，所述PID控制電路還包括I積分復(fù)位 電路，在所述PID運算電路的積分I運算輸出飽和時，所述I積分復(fù)位電路將積分I運算輸 出復(fù)位到0。
5.如權(quán)利要求4所述的鎖相放大器，其特征在于，所述I積分復(fù)位電路包括串列的窗口 比較器和模擬電子開關(guān)，所述窗口比較器的同相輸入端設(shè)定比較上限電壓，反相輸入端設(shè)定比較下限電壓，并 將所述比較上限電壓和所述下限電壓與積分I運算對應(yīng)輸出進行比較； 所述模擬電子開關(guān)根據(jù)所述窗口比較器的比較結(jié)果控制斷開或閉合。
6.如權(quán)利要求3所述的鎖相放大器，其特征在于，所述PID控制電路還包括與所述加 法器連接的第二電位器，所述第二電位器輸出偏置信號到所述加法器中與所述PID控制信 號、所述預(yù)定sin調(diào)制信號進行反相相加。
7.如權(quán)利要求2所述的鎖相放大器，其特征在于，所述移相器包括 第三電位器，所述第三電位器對信號進行士45°的相位細調(diào)；以及 后置放大器，用于對信號進行0° /90° /180° /270°的相位粗調(diào)。
8.如權(quán)利要求4所述的鎖相放大器，其特征在于，所述PID控制信號的輸出范圍在-5V 到+5V之間。
9.如權(quán)利要求5所述的鎖相放大器，其特征在于，當所述PID控制信號超出-5V到+5V 的范圍時，所述I積分復(fù)位電路將I積分值復(fù)位為0。
專利摘要本實用新型實施例公開了一種鎖相放大器，所述鎖相放大器包括串聯(lián)連接的相位檢波電路和PID控制電路，相位檢波電路利用TTL方波參考信號檢測調(diào)制有同頻率sin信號的飽和吸收光譜信號，得到直流信號并輸入到PID控制電路；PID控制電路對直流信號分別進行比例P、積分I、微分D運算得到PID控制信號，并結(jié)合PID控制信號以及與參考信號同頻率的預(yù)定sin調(diào)制信號，輸出控制信號到外腔半導(dǎo)體激光器上進行頻率鎖定。本實用新型能夠?qū)雽?dǎo)體激光器的波長鎖定在特定頻率上。
文檔編號H03F7/00GK201699659SQ20102025431
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者劉承玉, 史保森, 吳徑輝, 許景江, 許祥益 申請人:中國科學技術(shù)大學