一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器及其鎖相放大方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器及其鎖相放大方法，該鎖相放大器包括輸入信號(hào)處理系統(tǒng)、參考信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)、模擬處理系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及數(shù)字處理系統(tǒng)，參考信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的第一輸出端和第二輸出端輸出兩路相互正交的正弦波參考信號(hào)，模擬處理系統(tǒng)包括兩個(gè)模擬乘法器和模擬低通濾波器，數(shù)字處理系統(tǒng)包括兩個(gè)數(shù)字低通濾波器和數(shù)字運(yùn)算器。本鎖相放大器在檢測(cè)信號(hào)過程中允許混疊信號(hào)的存在，然后通過模擬低通濾波器和數(shù)字低通濾波器的組合，可以有效濾除輸入信號(hào)中的干擾信號(hào)，并濾除高頻干擾信號(hào)和混疊信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種頻率信號(hào)的檢測(cè)，有效地提高了信噪比，降低了硬件要求，生產(chǎn)成本較低，可廣泛應(yīng)用于弱信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域中。
【專利說明】一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器及其鎖相放大方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鎖相放大器領(lǐng)域，特別是涉及一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器。

【背景技術(shù)】
[0002] 鎖相放大器，Lock-in Amplifier，英文縮寫為L(zhǎng)IA，是一種對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行相敏檢波 的放大器，它利用和被測(cè)信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測(cè) 信號(hào)中那些與參考信號(hào)同頻或倍頻的噪聲分量有響應(yīng)，能大幅度抑制噪聲，改善檢測(cè)的信 噪比。鎖相放大器的基本原理框圖如圖1所示，其中相敏檢測(cè)器通常由乘法器和積分器組 成，而積分器通常采用低通濾波器，圖1中鎖相放大器采用互相關(guān)檢測(cè)原理，其基本工作原 理如下：
[0003] 根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的定義，假設(shè)輸入信號(hào)為X (t) = S (t) +n (t)，參考信號(hào)為y (t)。其 中S(t)為待測(cè)信號(hào)，n(t)為噪聲信號(hào)。則輸入信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為：
[0004]

【權(quán)利要求】
1. 一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器，其特征在于，包括輸入信號(hào)處理系統(tǒng)（100)、 參考信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)（200)、模擬處理系統(tǒng)（300)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（400)及數(shù)字處理系統(tǒng) (500)，所述參考信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)（200)的第一輸出端和第二輸出端輸出兩路相互正交的正弦 波參考信號(hào)； 所述模擬處理系統(tǒng)（300)包括第一模擬乘法器（31)、第二模擬乘法器（32)、第一模擬 低通濾波器（41)及第二模擬低通濾波器（42 )，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（400 )包括第一模數(shù)轉(zhuǎn)換 器（51)及第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器（52)，所述數(shù)字處理系統(tǒng)（500)包括第一數(shù)字低通濾波器（61)、 第二數(shù)字低通濾波器（62)及數(shù)字運(yùn)算器（7); 所述輸入信號(hào)處理系統(tǒng)（100)的輸入端接輸入信號(hào)，輸出端分別與第一模擬乘法器 (31)的第一輸入端和第二模擬乘法器（32)的第一輸入端連接，所述參考信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng) (200)的第一輸出端與第一模擬乘法器（31)的第二輸入端連接，所述參考信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng) (200)的第二輸出端與第二模擬乘法器（32)的第二輸入端連接； 所述第一模擬乘法器（31)的輸出信號(hào)依次通過第一模擬低通濾波器（41)、第一模數(shù) 轉(zhuǎn)換器（51)及第一數(shù)字低通濾波器（61)輸入到數(shù)字運(yùn)算器（7 )，所述第二模擬乘法器（32 ) 的輸出信號(hào)依次通過第二模擬低通濾波器（42)、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器（52)及第二數(shù)字低通濾 波器（62)輸入到數(shù)字運(yùn)算器（7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器，其特征在于，所述數(shù) 字運(yùn)算器（7)包括幅值計(jì)算模塊（71)、相位計(jì)算模塊（72)、誤差校正模塊（73)和反饋模塊 (74)，所述第一數(shù)字低通濾波器（61)和第二數(shù)字低通濾波器（62)所輸出的信號(hào)均分別輸 入到幅值計(jì)算模塊（71)、相位計(jì)算模塊（72)、誤差校正模塊（73)及反饋模塊（74)，所述反 饋模塊（74)的輸出端與參考信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)（200)的輸入端連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器，其特征在于，所述 輸入信號(hào)處理系統(tǒng)（100)包括依次串聯(lián)的緩沖轉(zhuǎn)換模塊（11)、濾波模塊（12)和放大模塊 (13)，緩沖轉(zhuǎn)換模塊（11)的輸入端接輸入信號(hào)，用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖或信號(hào)轉(zhuǎn)換，放大 模塊（13)的輸出端分別與第一模擬乘法器（31)的第一輸入端和第二模擬乘法器（32)的第 一輸入端連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器，其特征在于，參考信 號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)（200)包括相位累加模塊（21)和信號(hào)發(fā)生模塊（22)，所述反饋模塊（74)的輸出 端與相位累加模塊（21)的輸入端連接，所述相位累加模塊（21)的輸出端與信號(hào)發(fā)生模塊 (22)的輸入端連接，所述信號(hào)發(fā)生模塊（22)的第一輸出端與第一模擬乘法器（31)的第二 輸入端連接，第二輸出端與第二模擬乘法器（32)的第二輸入端連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器，其特征在于，所述輸 入信號(hào)為電流信號(hào)，所述緩沖轉(zhuǎn)換模塊（11)包括輸入耦合電路、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路及差 分放大電路，所述輸入耦合電路的輸入端接輸入信號(hào)，輸出端依次通過電流-電壓轉(zhuǎn)換電 路及差分放大電路后與濾波模塊（12)連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器，其特征在于，所述輸 入信號(hào)為電壓信號(hào)，所述緩沖轉(zhuǎn)換模塊（11)包括輸入耦合電路及差分放大電路，所述輸入 耦合電路的輸入端接輸入信號(hào)，輸出端通過差分放大電路與濾波模塊（12 )連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器，其特征在于，所述濾 波模塊（12)包括50Ηζ/100Ηζ陷波器和自跟蹤窄帶濾波器，所述緩沖轉(zhuǎn)換模塊（11)依次通 過50Ηζ/100Ηζ陷波器、自跟蹤窄帶濾波器和放大模塊（13)連接。
8. -種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器的鎖相放大方法，其特征在于，包括： 51、 通過參考信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生兩路相互正交的正弦波信號(hào)，然后將兩路相互正交的 正弦波信號(hào)分別與輸入信號(hào)相乘后，得到兩路模擬電壓輸出信號(hào)； 52、 分別將該兩路模擬電壓輸出信號(hào)進(jìn)行模擬低通濾波后，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到兩路數(shù) 字電壓輸出信號(hào)； 53、 分別對(duì)兩路數(shù)字電壓輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字低通濾波，并濾除高頻干擾信號(hào)和混疊信 號(hào)后，將兩路濾波后的輸出信號(hào)發(fā)送到數(shù)字運(yùn)算器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器的鎖相放大方法，其特 征在于，在所述步驟S3之后還包括以下步驟： 54、 數(shù)字運(yùn)算器接收該兩路濾波后的輸出信號(hào)后，計(jì)算獲得輸入信號(hào)中待測(cè)信號(hào)的幅 值及相位，并校正由模擬運(yùn)算所帶來的誤差，同時(shí)將獲得的待測(cè)信號(hào)的相位反饋到參考信 號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種模擬數(shù)字混合結(jié)構(gòu)的鎖相放大器的鎖相放大方法，其 特征在于，在所述步驟S1之前還包括以下步驟： 501、 將輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖，若輸入信號(hào)是電流信號(hào)，則同時(shí)將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)； 502、 將緩沖后的輸入信號(hào)依次進(jìn)行濾波及信號(hào)放大。
【文檔編號(hào)】H03F7/00GK104092442SQ201410245054
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】丁喜冬, 馮昊軒, 陳弟虎, 王自鑫, 郭建平 申請(qǐng)人:廣東順德中山大學(xué)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)國(guó)際聯(lián)合研究院, 中山大學(xué)