本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器。

背景技術(shù)：

自從1988年hafeman等人將表面光電壓測(cè)量技術(shù)引入電解液/絕緣體/半導(dǎo)體(electrolyte/insulator/semiconductor，簡(jiǎn)稱eis)結(jié)構(gòu)，首次提出了光尋址電位傳感器(light-addressablepotentiometricsensor，簡(jiǎn)稱laps)的概念。由于laps是利用光束掃描方式尋址，而不是用固定的電極引線或其他復(fù)雜外電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行尋址，因此只需要一根引線就可以對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，且穩(wěn)定性好，檢測(cè)時(shí)間短；從而滿足化學(xué)傳感器微型化、智能化、多功能化的要求。因此，laps已經(jīng)被廣泛用于測(cè)量ph值、氧化還原電位、離子濃度、生物膜電特性的研究、細(xì)菌生長(zhǎng)的檢測(cè)、酶促反應(yīng)及免疫反應(yīng)等。

laps傳感器廣泛應(yīng)用的前提是能夠準(zhǔn)確測(cè)量其輸出的微弱光電流信號(hào)。目前，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功研制出基于eis結(jié)構(gòu)的光尋址電位傳感器，而下一步是設(shè)計(jì)一種可用于該傳感器的微弱光電流信號(hào)檢測(cè)裝置。微弱電流信號(hào)的檢測(cè)就是利用電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，分析被測(cè)信號(hào)的特性以及噪聲產(chǎn)生的原因，檢測(cè)出被噪聲淹沒(méi)的微弱信號(hào)。

傳統(tǒng)的從噪聲中提取微弱信號(hào)的有效方法包括窄帶濾波、同步累積、取樣積分、鎖相放大等。其中最常用的是鎖相放大法。

鎖相放大器是以相干檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，主要包括信號(hào)通道1、參考通道2和相敏檢波3等，被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)分別通過(guò)信號(hào)通道和參考通道后，輸出給相敏檢波模塊；如圖1所示。對(duì)于鎖相放大器，申請(qǐng)?zhí)枮?00510011984.4名稱為小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路及方法的發(fā)明專利，應(yīng)用ad630芯片實(shí)現(xiàn)的單項(xiàng)式模擬鎖相放大器。此種類型的模擬鎖相放大器存在溫度漂移等問(wèn)題；申請(qǐng)?zhí)枮?01110236391.3名稱為一種數(shù)字鎖相放大器和數(shù)字鎖相控制方法的發(fā)明專利，為雙相數(shù)字式鎖相放大器，但其需預(yù)知所要采集信號(hào)的頻率。如果輸入信號(hào)頻率變化，就需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整系統(tǒng)的采樣率；申請(qǐng)?zhí)枮?01110029206.3名稱為一種數(shù)字鎖相放大器的發(fā)明專利，采用cordic算法產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)，然后通過(guò)乘法器進(jìn)行檢波，且采用iir濾波器進(jìn)行后級(jí)的低通濾波，可能會(huì)造成信號(hào)的微小振蕩。模擬式鎖相放大器，如果溫度變化會(huì)產(chǎn)生漂移。

對(duì)于商業(yè)化鎖相放大器，目前國(guó)內(nèi)做得比較好的單位是南京大學(xué)，其生產(chǎn)的hb-824型四通道na級(jí)電流放大器、hb-834型四通道pa級(jí)電流放大器、hb-214型四通道雙相鎖相放大器等系列產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微弱電流檢測(cè)領(lǐng)域。而國(guó)外微弱電流檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展水平要比國(guó)內(nèi)先進(jìn)的多，美國(guó)吉時(shí)利(keithley)儀器公司的6430型亞fa遠(yuǎn)程源表的電流測(cè)量精度為0.4fa。然而這些商業(yè)化產(chǎn)品雖然性能優(yōu)越，但是其體積大、價(jià)格昂貴，難以應(yīng)用于便攜式儀器中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器，具體為：

一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器，包括信號(hào)通道、參考通道和相敏檢波、被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)分別通過(guò)信號(hào)通道和參考通道后，輸出給相敏檢波模塊；還包括低通濾波模塊，相敏檢波模塊輸出給低通濾波模塊；信號(hào)通道包括i/v轉(zhuǎn)換電路、三級(jí)放大電路、交流耦合；i/v轉(zhuǎn)換電路、三級(jí)放大電路和交流耦合順次相連。

交流耦合主要用來(lái)抑制直流誤差，濾除放大器產(chǎn)生的直流偏置。多級(jí)放大電路是為了在保證信號(hào)帶寬的情況下對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行高增益的放大，同時(shí)引入較少的噪聲保證系統(tǒng)的靈敏度。

為了對(duì)信號(hào)更好的進(jìn)行隔離緩沖，減小噪聲干擾：

優(yōu)選的，在i/v轉(zhuǎn)換電路和三級(jí)放大電路之間設(shè)置有電壓跟隨器。

進(jìn)一步優(yōu)選的，電壓跟隨器為高阻抗電壓跟隨器。

在本電路中，由于電壓跟隨器輸入阻抗高，它可以隔離i/v轉(zhuǎn)換輸出的電流對(duì)后面放大電路的影響。輸入阻抗一般為1k歐姆到100k歐姆。

優(yōu)選的，多級(jí)放大電路是兩級(jí)放大電路、三級(jí)放大電路或者是更多級(jí)的放大電路。

進(jìn)一步優(yōu)選的，三級(jí)放大電路包括第一級(jí)放大模塊、第二級(jí)放大模塊、第三級(jí)放大模塊；第一級(jí)放大模塊、第二級(jí)放大模塊和第三級(jí)放大模塊依次連接。

為了濾除高頻噪聲，改善信噪比：

更進(jìn)一步優(yōu)選的，在第一級(jí)放大模塊和第二級(jí)放大模塊之間設(shè)置有低通濾波器。

更進(jìn)一步優(yōu)選的，第一級(jí)放大模塊為低噪聲、低偏置電流的高性能放大器。

這樣的目的是可以減小引入的噪聲，以提高系統(tǒng)靈敏度。

更進(jìn)一步優(yōu)選的，第二級(jí)放大模塊和第三級(jí)放大模塊的結(jié)構(gòu)一樣，包括第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻；第二級(jí)放大模塊的輸入vin1接第一電阻的一端和第二運(yùn)算放大器的反向輸入端；第一電阻的另一端接第一運(yùn)算放大器的反相輸入端和第二電阻的一端；第二電阻的另一端接第一運(yùn)算放大器的輸出和第二運(yùn)算放大器的正向輸入端；第一運(yùn)算放大器的正相輸入端接第三電阻的一端和第四電阻的一端；第三電阻的另一端接地；第四電阻的另一端接第二級(jí)放大模塊的輸出vout1。

這里采用雙運(yùn)放的特殊電路結(jié)構(gòu)在增益不變的前提下來(lái)提高帶寬。

優(yōu)選的，i/v轉(zhuǎn)換電路模塊包括電流電壓轉(zhuǎn)化單元和電壓跟隨單元兩部分；輸入信號(hào)iin依次連接電流電壓轉(zhuǎn)化單元和電壓跟隨單元。

進(jìn)一步優(yōu)選的，電流電壓轉(zhuǎn)化單元包括第三運(yùn)算放大器和反饋電阻；輸入信號(hào)接第三運(yùn)算放大器的反相輸入端和反饋電阻的一端；第三運(yùn)算放大器的正相輸入端接地；第三運(yùn)算放大器的輸出接反饋電阻；第三運(yùn)算放大器的輸出為電流電壓轉(zhuǎn)化單元的輸出。

進(jìn)一步優(yōu)選的，電壓跟隨單元包括第四運(yùn)算放大器，第四運(yùn)算放大器的正相輸入端為電壓跟隨單元的輸入端；第四運(yùn)算放大器的輸出接第四運(yùn)算放大器的反相輸入端；第四運(yùn)算放大器的輸出作為i/v轉(zhuǎn)換電路的輸出端。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱光電流信號(hào)的檢測(cè)，本發(fā)明可檢測(cè)的輸入電流范圍大，頻率響應(yīng)范圍寬，線性度好、成本低、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較高的使用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1現(xiàn)有的鎖相放大器示意圖。

圖2本發(fā)明一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器示意圖。

圖3本發(fā)明一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器的信號(hào)通道示意圖。

圖4本發(fā)明一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器的三級(jí)放大模塊示意圖。

圖5本發(fā)明一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器的第二級(jí)放大模塊示意圖。

圖6本發(fā)明一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器的i/v轉(zhuǎn)換電路示意圖。

圖7本發(fā)明的輸出電壓與待測(cè)電流之間的關(guān)系圖。

圖8本發(fā)明的信號(hào)通道增益為1e6時(shí)系統(tǒng)波特圖。

圖9本發(fā)明的強(qiáng)噪聲下輸出電壓與待測(cè)電流的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)、完整地說(shuō)明。

鎖相放大器是利用互相關(guān)原理設(shè)計(jì)的一種同步相關(guān)檢測(cè)儀，利用參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的互相關(guān)特性，從被測(cè)信號(hào)中提取出與參考信號(hào)同頻率同相位的信號(hào)。鎖相放大器可以分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器，根據(jù)鎖相放大器中相敏檢波器的個(gè)數(shù)還可以分為單相鎖相放大器和雙相鎖相放大器。模擬鎖相放大器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。另外，考慮到降低成本，在本發(fā)明中采用了模擬單相鎖相放大器，如圖2本發(fā)明一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器示意圖所示，除了信號(hào)通道1、參考通道2和相敏檢波3之外，本發(fā)明增加了低通濾波4模塊，目的是：用于濾除相敏檢波3輸出信號(hào)中含有的高頻分量，只輸出直流電壓信號(hào)。

信號(hào)通道1把輸入的被測(cè)信號(hào)初步處理后，輸給相敏檢波3的一端。參考通道2在參考信號(hào)的觸發(fā)下，輸出相位可調(diào)的、與輸入信號(hào)同頻的占空比1∶1的方波。相敏檢波3實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)相乘后經(jīng)低通濾波器輸出直流信號(hào)，其幅度與兩路輸入信號(hào)幅度以及它們的相位差成比例。理論計(jì)算如下：

設(shè)輸入信號(hào)為：

x(t)＝vicos(ω0t+θ)(1)

式中vi、ω0分別表示被測(cè)信號(hào)的幅度和角頻率，θ為被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差。設(shè)參考輸入信號(hào)r(t)是幅度為±vr的方波，其周期為t，角頻率為ω0＝2π/t。

根據(jù)傅里葉變換的方法，該參考信號(hào)展開(kāi)如下：

式(2)中，m為諧波次數(shù)，是正整數(shù)。a0為其直流分量，am、bm分別為其余弦分量和正弦分量的傅里葉系數(shù)。各系數(shù)計(jì)算公式如下：

式(3)至(5)只是在區(qū)間-t/2～t/2上進(jìn)行積分，實(shí)際在任意一個(gè)周期t內(nèi)積分的結(jié)果相同。由圖3可知，直流分量a0＝0，而且正弦分量傅里葉系數(shù)bm＝0，余弦分量am計(jì)算如下：

由式(6)可知，當(dāng)m為偶數(shù)時(shí)，sin(mπ/2)＝0；當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，sin(mπ/2)＝±1。令m＝2n-1，n為正整數(shù)，則：

聯(lián)合式(1)和式(8)可得：

式(9)中，第一項(xiàng)為差頻項(xiàng)，第二項(xiàng)為和頻項(xiàng)。經(jīng)過(guò)低通濾波器處理后，n大于1的差頻項(xiàng)和所有的和頻項(xiàng)均被濾除，只剩n＝1的差頻項(xiàng)。因此,

從式(10)可知，輸出電壓u0(t)與參考信號(hào)和輸入信號(hào)的幅值以及兩個(gè)信號(hào)之間的相位差有關(guān)。在已知參考信號(hào)幅值，兩信號(hào)的相位差和輸入信號(hào)幅值的情況下，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的幅度vs。當(dāng)θ＝0時(shí)，即待測(cè)信號(hào)與被測(cè)信號(hào)之間不存在相位差，則可以得到最大的輸出電壓。當(dāng)參考信號(hào)幅值為1時(shí)，更易于計(jì)算出待測(cè)電壓，有利于提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

同時(shí)，本發(fā)明對(duì)信號(hào)通道1進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，如圖3本發(fā)明一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器的信號(hào)通道示意圖。依信號(hào)的輸入順序本發(fā)明的信號(hào)通道1包括i/v轉(zhuǎn)換電路21、電壓跟隨器22、三級(jí)放大電路23、交流耦合24。需要說(shuō)明的是電壓跟隨器22并不是必須的，但是為了對(duì)信號(hào)更好的進(jìn)行隔離緩沖，減小噪聲干擾可以增加電壓跟隨器22。laps傳感器的微弱光電流信號(hào)通過(guò)i/v轉(zhuǎn)換電路21將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)再通過(guò)三級(jí)放大電路進(jìn)行放大處理。該系統(tǒng)中，需要對(duì)電壓信號(hào)放大到后續(xù)電路能進(jìn)行處理的程度，但同時(shí)也放大了系統(tǒng)噪聲和直流誤差。而交流耦合24主要用來(lái)抑制直流誤差，濾除放大器產(chǎn)生的直流偏置。多級(jí)放大電路23是為了在保證信號(hào)帶寬的情況下對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行高增益的放大，同時(shí)引入較少的噪聲保證系統(tǒng)的靈敏度。這里的多級(jí)放大電路23可以是兩級(jí)放大電路、三級(jí)放大電路或者是更多級(jí)的放大電路。本發(fā)明優(yōu)選的采用三級(jí)放大電路。

如圖4本發(fā)明一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器的三級(jí)放大模塊示意圖。依信號(hào)的輸入順序本發(fā)明的三級(jí)放大電路包括第一級(jí)放大模塊231、低通濾波器232、第二級(jí)放大模塊233、第三級(jí)放大模塊234。需要說(shuō)明的是低通濾波器232并不是必須的，這里增加低通濾波器232的好處是濾除高頻噪聲，改善信噪比。第一級(jí)放大模塊231采用低噪聲、低偏置電流的高性能放大器；這樣可以減小引入的噪聲，以提高系統(tǒng)靈敏度。第一級(jí)放大模塊231采用通用的電路結(jié)構(gòu)，在這里就不在詳細(xì)介紹了。

第二級(jí)放大模塊233和第三級(jí)放大模塊234主要實(shí)現(xiàn)高增益的目的。為了保證該系統(tǒng)的帶寬要求，因而采用高帶寬的集成運(yùn)放；另外，設(shè)計(jì)特殊的電路結(jié)構(gòu)以提高系統(tǒng)帶寬。第二級(jí)放大模塊233和第三級(jí)放大模塊234的增益設(shè)置最高為100倍，由于集成運(yùn)算放大器的增益帶寬積為定值，當(dāng)增益較大時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成系統(tǒng)帶寬較窄。因此，這兩級(jí)放大器設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮系統(tǒng)帶寬要求。在本電路中，除了通過(guò)選用寬帶放大器作為運(yùn)放芯片，還通過(guò)采用雙運(yùn)放的特殊電路結(jié)構(gòu)在增益不變的前提下來(lái)提高帶寬。第二級(jí)放大模塊233和第三級(jí)放大模塊234采用相同的電路結(jié)構(gòu)。

如圖5本發(fā)明一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器的第二級(jí)放大模塊示意圖。包括第一運(yùn)算放大器2331、第二運(yùn)算放大器2332、第一電阻2333、第二電阻2334、第三電阻2335和第四電阻2336；第二級(jí)放大模塊的輸入vin1接第一電阻2333的一端和第二運(yùn)算放大器2332的反向輸入端；第一電阻2333的另一端接第一運(yùn)算放大器2331的反相輸入端和第二電阻2334的一端；第二電阻2334的另一端接第一運(yùn)算放大器2331的輸出和第二運(yùn)算放大器2332的正向輸入端；第一運(yùn)算放大器2331的正相輸入端接第三電阻2335的一端和第四電阻2336的一端；第三電阻2335的另一端接地；第四電阻2336的另一端接第二級(jí)放大模塊的輸出vout1。這里采用雙運(yùn)放的特殊電路結(jié)構(gòu)在增益不變的前提下來(lái)提高帶寬。

如圖6本發(fā)明一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器的i/v轉(zhuǎn)換電路示意圖。輸入信號(hào)iin(即被測(cè)電流)自微電流信號(hào)源；i/v轉(zhuǎn)換電路模塊包括電流電壓轉(zhuǎn)化單元21a和電壓跟隨單元21b兩部分。輸入信號(hào)iin依次連接電流電壓轉(zhuǎn)化單元21a和電壓跟隨單元21b。

具體的，電流電壓轉(zhuǎn)化單元21a包括第三運(yùn)算放大器211和反饋電阻213；輸入信號(hào)iin接第三運(yùn)算放大器211的反相輸入端和反饋電阻213的一端；第三運(yùn)算放大器211的正相輸入端接地；第三運(yùn)算放大器211的輸出接反饋電阻213；第三運(yùn)算放大器211的輸出為電流電壓轉(zhuǎn)化單元21a的輸出。

電壓跟隨單元21b包括第四運(yùn)算放大器212，第四運(yùn)算放大器212的正相輸入端為電壓跟隨單元21b的輸入端；第四運(yùn)算放大器212的輸出接第四運(yùn)算放大器212的反相輸入端；第四運(yùn)算放大器212的輸出作為i/v轉(zhuǎn)換電路的輸出端vout2。

被測(cè)電流iin來(lái)自微電流信號(hào)源，對(duì)于輸入阻抗和放大倍數(shù)均為無(wú)窮大的理想運(yùn)算放大器，可以認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入端的偏置電流ib對(duì)被測(cè)電流iin的分流近似等于零，這樣流過(guò)反饋電阻213的電流if近似等于被測(cè)電流iin。再考慮到極性關(guān)系，第三運(yùn)算放大器211的輸出電壓vo＝-iinr213。說(shuō)明這里的r213是反饋電阻213的阻值。由此可以看出，即使被測(cè)電流很小，只要反饋電阻213取值足夠大，仍可得到較大的可觀測(cè)的輸出電壓。

為了提高微弱電流測(cè)量的靈敏度，首先考慮到的是增大反饋電阻。另外，影響微弱電流測(cè)量靈敏度的主要因素是運(yùn)算放大器的偏置電流，偏置電流越小靈敏度越高，其次是噪聲水平和漂移。實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器應(yīng)該滿足以下條件：高輸入阻抗(inputimpedance)、高共模抑制比(common-moderejectionratio)、低偏置電流(biascurrent)、低噪聲(noisedensity)、低失調(diào)電壓(offsetvoltage)，低漂移(offsetvoltagedrift)。因此這里的第三運(yùn)算放大器211和第四運(yùn)算放大器212采用了ad8652ar芯片。

根據(jù)本發(fā)明的前述介紹，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試可以得到圖7-圖9。其中由圖7本發(fā)明的輸出電壓與待測(cè)電流之間的關(guān)系圖可以看出本發(fā)明的靈敏度高，靈敏度相對(duì)誤差絕對(duì)值最大為3.38％。

由圖8本發(fā)明的信號(hào)通道增益為1e6時(shí)系統(tǒng)波特圖可以分析可知，當(dāng)信號(hào)通道增益設(shè)置為1e6時(shí)，-3db截止頻率約為1.2mhz，帶寬為1khz～1.2mhz。改變信號(hào)通道增益為1e5、1e4時(shí)，按照上述實(shí)驗(yàn)步驟由于系統(tǒng)中低通濾波器的作用，-3db截止頻率都限制在1.2mhz左右。由此可知本發(fā)明的帶寬的范圍大。

由圖9本發(fā)明的強(qiáng)噪聲下輸出電壓與待測(cè)電流的關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)：待測(cè)信號(hào)幅值從0～2v增加，即待測(cè)電流幅值從0～200μa增加，系統(tǒng)仍具有較好的線性度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱光電流信號(hào)的檢測(cè)，本發(fā)明可檢測(cè)的輸入電流范圍寬，頻率響應(yīng)范圍大，線性度好、成本低、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較高的使用價(jià)值。