本發(fā)明屬于電子和微弱信號(hào)測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多參考模式的數(shù)字鎖相放大器。

背景技術(shù)：

鎖相放大器是用于測(cè)量微弱信號(hào)的裝置，因其相關(guān)性運(yùn)算而獲得極窄的測(cè)量帶寬，從而減小噪聲的引入，能夠在強(qiáng)噪聲的背景下提取出所需頻率信號(hào)，因而廣泛應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量、超聲測(cè)量、弱磁測(cè)量等領(lǐng)域。

雖然雙相鎖相放大的理論都已經(jīng)完善，在信號(hào)幅值測(cè)量上取得了不少成果；但是對(duì)于相位測(cè)量，僅僅進(jìn)行雙相鎖相放大是不行的，還需要鎖相環(huán)對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行相位鎖定，這才能準(zhǔn)確測(cè)出待測(cè)信號(hào)的相位；否則只能測(cè)出信號(hào)的幅值，信號(hào)相位沒(méi)有意義。

此外，對(duì)于一些不提供標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)的信號(hào)測(cè)量，如超聲材料諧振點(diǎn)的測(cè)量，如超聲探頭間信號(hào)相位差的測(cè)量，目前的鎖相放大器并沒(méi)有給出相應(yīng)的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種多參考模式的數(shù)字鎖相放大器，能夠同時(shí)計(jì)算出幅值和相位，并且整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需增加任何模擬電路部件。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明按以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述多參考模式的數(shù)字鎖相放大器，包括順次連接的模擬鏈路和數(shù)字模塊；所述數(shù)字模塊包括參考模式選擇器及與其并聯(lián)連接的多種參考鎖相環(huán)；待測(cè)信號(hào)進(jìn)入所述模擬鏈路，經(jīng)過(guò)放大、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理為數(shù)字待測(cè)信號(hào)，經(jīng)由所述參考模式選擇器選擇對(duì)應(yīng)的參考模式后，實(shí)現(xiàn)鎖相放大，并完成待測(cè)信號(hào)的相位和幅值的測(cè)量。

進(jìn)一步地，所述模擬鏈路包括順次連接的低噪聲前置放大器、抗混疊濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

進(jìn)一步地，所述參考鎖相環(huán)為外部參考鎖相環(huán)；所述模擬鏈路為雙路，其中一路用于輸入待測(cè)信號(hào)，另外一路用于輸入?yún)⒖夹盘?hào)。

進(jìn)一步地，所述外部參考鎖相環(huán)包括順次連接的多諧波鑒相器、環(huán)路濾波器、第一多諧波數(shù)控振蕩器、第一雙路正交混頻器、第一低通濾波器和第一幅值相位計(jì)算單元；所述多諧波鑒相器的輸入端和第一多諧波數(shù)控振蕩器的輸入端之間還連接有時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器；其中，參考信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬鏈路后，轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字參考信號(hào)，其中一路數(shù)字參考信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器提取參考頻率信息，另一路經(jīng)過(guò)多諧波鑒相器和環(huán)路濾波器后提取參考相位信息；所述參考頻率信息和參考相位信息發(fā)送至所述第一多諧波數(shù)控振蕩器，產(chǎn)生反饋正弦波和兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波；所述反饋正弦波發(fā)送至多諧波鑒相器進(jìn)行相位鎖定；所述兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波經(jīng)過(guò)第一雙路正交混頻器，與待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬鏈路處理后的數(shù)字待測(cè)信號(hào)進(jìn)行混頻，進(jìn)入第一低通濾波器濾波后，通過(guò)第一幅值相位計(jì)算單元計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。

進(jìn)一步地，所述參考鎖相環(huán)為互參考鎖相環(huán)；所述模擬鏈路為雙路，分別用于輸入第一待測(cè)信號(hào)和第二待測(cè)信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述互參考鎖相環(huán)包括順次連接的第一頻率提取器和第二多諧波數(shù)控振蕩器；所述第二多諧波數(shù)控振蕩器后還順次連接有兩回路；所述回路包括順次連接的第二雙路正交混頻器、第二低通濾波器和第二幅值相位計(jì)算單元；所述第一待測(cè)信號(hào)和第二待測(cè)信號(hào)分別經(jīng)各自的模擬鏈路處理后，轉(zhuǎn)換成兩路第一數(shù)字待測(cè)信號(hào)和兩路第二數(shù)字待測(cè)信號(hào)；一路所述第一數(shù)字待測(cè)信號(hào)進(jìn)入所述第一頻率提取器提取出第一數(shù)字待測(cè)信號(hào)的頻率信息，所述頻率信息發(fā)送至所述第二多諧波數(shù)控振蕩器，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的同相和正交兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波，與另一路所述第一數(shù)字待測(cè)信號(hào)在第二雙路正交混頻器中混頻后，經(jīng)第二低通濾波器濾波，由第二幅值相位計(jì)算單元算出第一待測(cè)信號(hào)的幅值和相位；所述第二數(shù)字待測(cè)信號(hào)采用同所述第一數(shù)字待測(cè)信號(hào)的處理方式，得到第二待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。

進(jìn)一步，所述參考鎖相環(huán)為內(nèi)部參考鎖相環(huán)；所述模擬鏈路為單路，僅用于輸入待測(cè)信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述內(nèi)部參考鎖相環(huán)包括順次連接的第二頻率提取器、第三多諧波數(shù)控振蕩器、第三雙路正交混頻器、第三低通濾波器和第三幅值相位計(jì)算單元；其中待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬鏈路后，轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字待測(cè)信號(hào)；

一路所述數(shù)字待測(cè)信號(hào)進(jìn)入所述第二頻率提取器計(jì)算出其頻率，經(jīng)過(guò)所述第三多諧波數(shù)控振蕩器產(chǎn)生相同頻率下的同相和正交的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，與另一路數(shù)字待測(cè)信號(hào)共同進(jìn)入第三雙路正交頻率器混頻，混頻后通過(guò)第三低通濾波器濾波，由第三幅值相位計(jì)算單元算出待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。

進(jìn)一步地，所述內(nèi)部參考鎖相環(huán)包括順次連接的第四多諧波數(shù)控振蕩器、第四雙路正交混頻器、第四低通濾波器和第四幅值相位計(jì)算單元；所述第四多諧波數(shù)控振蕩器還順次連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換器和待測(cè)電路；所述第四多諧波數(shù)控振蕩器產(chǎn)生一定頻率、一定幅值、一定相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，經(jīng)所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動(dòng)所述待測(cè)電路的模擬信號(hào)；所述待測(cè)電路經(jīng)過(guò)所述模擬鏈路轉(zhuǎn)換成數(shù)字待測(cè)信號(hào)，所述數(shù)字待測(cè)信號(hào)與第四多諧波數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波在所述第四雙路正交混頻器中混頻，混頻后經(jīng)第四低通濾波器濾波，由第四幅值相位計(jì)算單元算出待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。

進(jìn)一步地，所述第一頻率提取器或第二頻率提取器均包括多重自相關(guān)器、fft模塊、譜峰識(shí)別器、和pid掃描控制器；

數(shù)字待測(cè)信號(hào)在所述多重自相關(guān)器中進(jìn)行多重自相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果被所述fft模塊轉(zhuǎn)換成頻域數(shù)據(jù)，進(jìn)而被所述譜峰識(shí)別器提取出信號(hào)頻率，在所述pid掃描控制器下進(jìn)行調(diào)整。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所述的多參考模式的數(shù)字鎖相放大器，使用數(shù)字的辦法實(shí)現(xiàn)對(duì)相位和幅值的獲取，一方面可以避免模擬電路引入帶來(lái)的溫漂、時(shí)漂、非線性等問(wèn)題，另一方面能夠在數(shù)字芯片上實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理，而無(wú)需增加任何模擬電路部件，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，其中：

圖1是本發(fā)明所述的多參考模式的數(shù)字鎖相放大器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明所述的參考模式的數(shù)字鎖相放大器在外部參考模式下的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本發(fā)明所述的參考模式的數(shù)字鎖相放大器在外部參考模式下外部參考信號(hào)與內(nèi)部反饋信號(hào)鎖定示意圖；

圖4是本發(fā)明所述的參考模式的數(shù)字鎖相放大器在互參考模式下的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5是本發(fā)明所述的參考模式的數(shù)字鎖相放大器在內(nèi)部參考模式下的第一種工作方式結(jié)構(gòu)框圖；

圖6是本發(fā)明所述的參考模式的數(shù)字鎖相放大器在內(nèi)部參考模式下的第二種工作方式的結(jié)構(gòu)框圖；

圖7是本發(fā)明所述的參考模式的數(shù)字鎖相放大器中頻率提取器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；

圖8是本發(fā)明所述的參考模式的數(shù)字鎖相放大器在外部參考模式中應(yīng)用實(shí)例——激光強(qiáng)度調(diào)制測(cè)量示意圖；

圖9是本發(fā)明所述的參考模式的數(shù)字鎖相放大器在互參考模式應(yīng)用實(shí)例——未知超聲源的定位測(cè)量示意圖

圖10是本發(fā)明所述的參考模式的數(shù)字鎖相放大器在內(nèi)部參考模式的第二種工作方式的應(yīng)用實(shí)例——材料諧振點(diǎn)的測(cè)量示意圖

圖11是本發(fā)明所述的參考模式的數(shù)字鎖相放大器在內(nèi)部參考模式的第二種工作方式的應(yīng)用實(shí)例——材料諧振點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定示意圖。

圖中：

1：模擬鏈路

11：低噪聲前置放大器12：抗混疊濾波器13：模數(shù)轉(zhuǎn)換器

2：數(shù)字模塊

21：參考模式選擇器

22：外部參考鎖相環(huán)

221：多諧波鑒相器222：環(huán)路濾波器223：第一多諧波數(shù)控振蕩器

224：第一雙路正交混頻器225：第一低通濾波器226：第一幅值相位計(jì)算單元

227：時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器

23：互參考鎖相環(huán)

231：第一頻率提取器232：第二多諧波數(shù)控振蕩器233：第二雙路正交混頻器

234：第二低通濾波器235：第二幅值相位計(jì)算單元

24：內(nèi)部參考鎖相環(huán)

241：第二頻率提取器242：第三多諧波數(shù)控振蕩器243:第三雙路正交混頻器

244:第三低通濾波器245:第三幅值相位計(jì)算單元246:第四多諧波數(shù)控振蕩器

247:第四雙路正交混頻器248:第四低通濾波器249:第四幅值相位計(jì)算單元

240：數(shù)模轉(zhuǎn)換器

3：待測(cè)電路

41：多重自相關(guān)器42：fft模塊43：譜峰識(shí)別器44：pid掃描控制器

51：激光器52：電光晶體或光學(xué)斬波器53：光電探頭54：調(diào)制控制器

61：未知超聲源62：超聲探頭163：超聲探頭2

71：超聲發(fā)射換能器72：超聲接收換能器

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

為了更好的了解本發(fā)明所述的多參考模式的數(shù)字鎖相放大器的技術(shù)，首先對(duì)雙相數(shù)字鎖相放大器的原理做以下簡(jiǎn)單說(shuō)明：

正弦信號(hào)的表示：s(t)＝asin(ωt+θ)

其中，a為信號(hào)幅度，ω為信號(hào)頻率，θ為信號(hào)相位，這三個(gè)參數(shù)決定了正弦信號(hào)的具體形態(tài)。因此，測(cè)量正弦信號(hào)，也就是測(cè)量這三個(gè)參數(shù)。在不同應(yīng)用場(chǎng)合，則需要測(cè)量的參數(shù)不同。

對(duì)于雙相鎖相放大器的原理：其產(chǎn)生和待測(cè)信號(hào)同頻的兩路正交的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，具體如下：

上述兩路正交的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)分別與待測(cè)正弦信號(hào)混頻，混頻結(jié)果如下

混頻結(jié)果包含直流分量和交流的倍頻分量；使用低通濾波器將交流的倍頻分量濾除，則得到兩路直流分量分別為

因此，可以求得待測(cè)信號(hào)的幅值a和相位θ分別為

以上就是雙相數(shù)字鎖相放大器的原理，本發(fā)明所述的多參考模式的數(shù)字鎖相放大器，則是使用數(shù)字的辦法實(shí)現(xiàn)上述原理，一方面可以避免模擬電路引入的溫漂、時(shí)漂、非線性等問(wèn)題，另一方面能夠在數(shù)字芯片上實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理，而無(wú)需增加任何模擬電路部件，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于相位的計(jì)算公式，都忽略了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：如何確定待測(cè)正弦信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)的相位的時(shí)間起點(diǎn)(參考點(diǎn))——時(shí)間起點(diǎn)是可以任意選擇的，但是時(shí)間起點(diǎn)不同，初始相位也就隨之而變。如果這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有解決，其帶來(lái)的影響是顯而易見(jiàn)的，例如每次重啟設(shè)備，由于沒(méi)有參考點(diǎn)，用于混頻的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)的初始相位都是隨機(jī)的，可以在0～2π之間任意取值，那么θ的測(cè)量值也是隨機(jī)的，因此，這樣計(jì)算得到的相位值沒(méi)有意義。

因此，對(duì)于我們所測(cè)量的信號(hào)的相位，必須針對(duì)某一參考點(diǎn)而言。

最常見(jiàn)的參考點(diǎn)，來(lái)源于信號(hào)源提供的標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)，通常是ttl電平形式或者正弦波形式，如調(diào)幅激光通常會(huì)輸出ttl電平形式的參考信號(hào)，被周期調(diào)制的激光信號(hào)與參考信號(hào)同頻、且存在固定的相位差；因此可以把ttl參考的上升沿為參考點(diǎn)，待測(cè)激光信號(hào)、或者是通過(guò)某種介質(zhì)后的透射激光，與ttl參考信號(hào)的相位差，就是待測(cè)信號(hào)的相位。

具體地，本發(fā)明所述的多參考模式的數(shù)字鎖相放大器，包括順次連接的模擬鏈路1和數(shù)字模塊2；所述的模擬鏈路1包括順次連接的低噪聲前置放大器11、抗混疊濾波器12和模數(shù)轉(zhuǎn)換器13，完成對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)化處理為數(shù)字待測(cè)信號(hào)；所述數(shù)字模塊2包括參考模式選擇器21及與其并聯(lián)連接的多種參考鎖相環(huán)；待測(cè)信號(hào)進(jìn)入所述模擬鏈路1處理后，經(jīng)由所述參考模式選擇器21選擇對(duì)應(yīng)的參考模式后，實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的鎖相放大，并完成待測(cè)信號(hào)的相位和幅值的測(cè)量。

其中，上述低噪聲前置放大器11，優(yōu)選為集成運(yùn)放ad8429，其輸入電壓噪聲密度低至

上述抗混疊濾波器12，優(yōu)選為無(wú)源橢圓濾波器，橢圓濾波器的陡降非常高，能夠有效防止采樣導(dǎo)致的高頻混疊。

上述模數(shù)轉(zhuǎn)換器13，優(yōu)選為ad7357，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器13能夠?qū)崿F(xiàn)雙通道的同步采樣，符合本發(fā)明的特點(diǎn)。

為了應(yīng)對(duì)實(shí)際過(guò)程中，存在的多種參考模式，本發(fā)明采用了如下三種模式，每種模式的圖示中，則將參考模式選擇器21省略。同時(shí)，在具體實(shí)際運(yùn)用中，則是通過(guò)實(shí)際測(cè)量情況選擇：

實(shí)施例1：

如圖2和圖3所示，本實(shí)施例采用的是外部參考模式，其工作原理如附圖3所示，待測(cè)正弦信號(hào)與外部參考信號(hào)的相位差為θ——亦即待測(cè)信號(hào)的相位值。在該種模式下，所述模擬鏈路1為雙路，其中一路用于輸入待測(cè)信號(hào)，另外一路用于輸入?yún)⒖夹盘?hào)。

所述外部參考模式，即待測(cè)正弦信號(hào)與外部參考信號(hào)的相位差為θ——亦即待測(cè)信號(hào)的相位值。

具體地，所述外部參考鎖相環(huán)22包括順次連接的多諧波鑒相器221、環(huán)路濾波器222、第一多諧波數(shù)控振蕩器223、第一雙路正交混頻器224、第一低通濾波器225和第一幅值相位計(jì)算單元226；所述多諧波鑒相器221的輸入端和第一多諧波數(shù)控振蕩器223的輸入端之間還連接有時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器227；其中，參考信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬鏈路后，轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字參考信號(hào)，其中一路數(shù)字參考信號(hào)經(jīng)過(guò)所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器227提取參考頻率信息，另一路經(jīng)過(guò)多諧波鑒相器221和環(huán)路濾波器222后提取參考相位信息；其中，所述環(huán)路濾波器222，優(yōu)選為數(shù)字fir濾波器，能夠?qū)崿F(xiàn)線性相頻響應(yīng)。

所述參考頻率信息和參考相位信息發(fā)送至所述第一多諧波數(shù)控振蕩器221，產(chǎn)生反饋正弦波和兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波；其中，所述反饋正弦波的頻率為參考信號(hào)的基頻和高次諧頻；所述兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波分別為與參考信號(hào)同相的正弦波、與參考信號(hào)正交的正弦波；所述反饋正弦波發(fā)送至多諧波鑒相器221進(jìn)行相位鎖定；所述兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波經(jīng)過(guò)第一雙路正交混頻器224，與待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬鏈路1處理后的數(shù)字待測(cè)信號(hào)進(jìn)行混頻，進(jìn)入第一低通濾波器225濾波后，通過(guò)第一幅值相位計(jì)算單元226計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。

其中，所述第一多諧波數(shù)控振蕩器223產(chǎn)生與外部參考信號(hào)同頻的內(nèi)部反饋信號(hào)，該信號(hào)與外部參考信號(hào)的相位差為顯然，通過(guò)調(diào)整第一多諧波數(shù)控振蕩器223，可以使內(nèi)部反饋信號(hào)和外部參考信號(hào)的相位差那么待測(cè)信號(hào)的相位θ，等價(jià)于待測(cè)正弦信號(hào)與內(nèi)部反饋信號(hào)的相位差。此時(shí)，所述第一多諧波數(shù)控振蕩器223產(chǎn)生與內(nèi)部反饋信號(hào)同相和正交的兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，與待測(cè)正弦信號(hào)進(jìn)行正交混頻，根據(jù)公式即可計(jì)算出待測(cè)信號(hào)相位值θ。

將內(nèi)部反饋信號(hào)與外部參考信號(hào)的相位差鎖定為的結(jié)構(gòu)，稱為外部參考鎖相環(huán)。如附圖2所示，參考信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大、抗混疊濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，分兩路進(jìn)入所述外部參考鎖相環(huán)22。其中一路送往時(shí)間所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器227，測(cè)出外部參考信號(hào)的參考頻率，將參考頻率值輸入到所述第一多諧波數(shù)控振蕩器223；另一路送往所述多諧波鑒相器221，鑒相結(jié)果進(jìn)入所述環(huán)路濾波器222，提取出相位信息，將相位信息輸入到所述第一多諧波數(shù)控振蕩器223；所述第一多諧波數(shù)控振蕩器223根據(jù)輸入的參考頻率值和相位信息，產(chǎn)生與外部參考同頻的內(nèi)部反饋信號(hào)，反饋輸入到所述多諧波鑒相器221的另一端，與外部參考信號(hào)多次鑒相，最后使內(nèi)部反饋信號(hào)與外部參考信號(hào)同頻同相，相位差鎖定為0。

所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器227的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，對(duì)于ttl型的外部參考信號(hào)，本實(shí)施例可選擇配置為脈沖計(jì)數(shù)法；對(duì)于正弦波型或三角波型的外部參考信號(hào)，本實(shí)施例可選擇配置為過(guò)零檢測(cè)法。本發(fā)明所述的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器227不限于上述給出的兩種實(shí)現(xiàn)方式，使用其他方法實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于本發(fā)明的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，應(yīng)視為本發(fā)明的拓展。

所述第一多諧波數(shù)控振蕩器223可產(chǎn)生多通道獨(dú)立的、頻率各自不同的數(shù)字正弦波。優(yōu)選地，本發(fā)明使用cordic算法實(shí)現(xiàn)多諧波數(shù)控振蕩器，能夠節(jié)省大量數(shù)字資源，并且容易實(shí)現(xiàn)多路相位可實(shí)時(shí)配置的正弦波。

對(duì)比于常規(guī)的鎖相環(huán)，本發(fā)明所述外部參考鎖相環(huán)的創(chuàng)新之處在于所述多諧波鑒相器221，以及所述多諧波鑒相器221與所述第一多諧波數(shù)控振蕩器223的結(jié)合。

常規(guī)的鎖相環(huán)，只能對(duì)基頻進(jìn)行鑒相。實(shí)際上，輸入的參考信號(hào)如ttl方波、三角波等含有高階諧頻成分，通常這些高階諧頻沒(méi)有被利用起來(lái)。

方波可以被分解成一系列諧波，如下

其中e為方波的峰峰值，w為方波的頻率乘以2π。

上述方波在經(jīng)過(guò)線性相位系統(tǒng)時(shí)，不同頻率分量會(huì)產(chǎn)生不同的相位延遲，具體來(lái)說(shuō)，其相位延遲量與頻率成正比，如下

其中，t0為經(jīng)過(guò)線性相位系統(tǒng)的延時(shí)。明顯得出：頻率越高，相位延遲就越大。也就是說(shuō)，假設(shè)外部參考信號(hào)與內(nèi)部反饋信號(hào)存在時(shí)間長(zhǎng)度為t0的相位差，外部參考信號(hào)高次諧波與內(nèi)部反饋信號(hào)進(jìn)行鑒相而獲得的相位差，必然比外部參考信號(hào)低階諧波與內(nèi)部反饋信號(hào)進(jìn)行鑒相而得到相位差要大。在外部參考信號(hào)與內(nèi)部反饋信號(hào)已經(jīng)鎖定的情況下，如果某些因素導(dǎo)致外部參考信號(hào)產(chǎn)生了一定的延時(shí)，那么對(duì)于低頻測(cè)量來(lái)說(shuō)，外部參考信號(hào)的基波的相位變化較小，難以檢測(cè)到外部參考信號(hào)與內(nèi)部反饋信號(hào)的相位差，此時(shí)檢測(cè)外部參考信號(hào)的高次諧波，就能夠發(fā)現(xiàn)外部參考信號(hào)與內(nèi)部反饋信號(hào)已經(jīng)產(chǎn)生微弱的相移。所以檢測(cè)外部參考信號(hào)的高次諧波，能夠放大外部參考信號(hào)與內(nèi)部反饋信號(hào)的相位差，能夠更快速、更精細(xì)地進(jìn)行相位調(diào)整。

所述多諧波鑒相器221正是實(shí)現(xiàn)了上述功能，它能夠?qū)崿F(xiàn)外部參考信號(hào)的整形，保證整形之后的外部參考信號(hào)都包含豐富的高次諧波分量；能夠接受多路內(nèi)部反饋信號(hào)的輸入，進(jìn)行多路諧波的鑒相；在低頻測(cè)量模式下，能夠通過(guò)測(cè)量外部參考信號(hào)的高次諧波，達(dá)到加速調(diào)相、精細(xì)調(diào)相的目的。

鑒相結(jié)果輸出到環(huán)路濾波器222，得到相位差信息；相位差信息反饋到第一多諧波數(shù)控振蕩器223，對(duì)輸出的內(nèi)部參考信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整。

上述討論是基于線性相位系統(tǒng)的，這是為了方便進(jìn)行演算。實(shí)際上，即使是非線性相位系統(tǒng)，只要符合相頻響應(yīng)連續(xù)的要求，基本上都是適合本發(fā)明的。實(shí)際測(cè)量，基本不會(huì)將外部參考信號(hào)引入到不連續(xù)的相頻響應(yīng)系統(tǒng)，對(duì)于信號(hào)處理領(lǐng)域，不連續(xù)的相頻響應(yīng)系統(tǒng)是應(yīng)當(dāng)盡可能去避免的。

為了進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)施例的相關(guān)結(jié)合和原理，則具體到以激光強(qiáng)度調(diào)制為例，如附圖8所示，激光器51輸出的激光經(jīng)過(guò)由調(diào)制控制器54控制的電光晶體(或者光學(xué)斬波器)52，激光強(qiáng)度被調(diào)制成一定頻率的方波型(或正弦型)。被調(diào)制的激光信號(hào)作用到待測(cè)材料，待測(cè)材料響應(yīng)的光信號(hào)含有調(diào)制頻率的信息，光信號(hào)由光電探頭53轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，與調(diào)制控制器54產(chǎn)生的同步信號(hào)同時(shí)送入到本發(fā)明所述的多參考模式鎖相放大器。

如圖2所示，被調(diào)制的光強(qiáng)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)低噪聲前置放大器11進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅缓笥煽够殳B濾波器12濾除高頻干擾信號(hào)，濾波信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，此時(shí)光強(qiáng)信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，待進(jìn)一步處理。

同時(shí)，調(diào)制控制器54提供的同步信號(hào)作為參考信號(hào)(通常是ttl形式)，輸入到參考信號(hào)處理通道。同樣是經(jīng)過(guò)低噪聲前置放大器11放大、抗混疊濾波器12濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換器13，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

數(shù)字形式的參考信號(hào)，進(jìn)入到外部參考鎖相環(huán)22。首先，由時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器227測(cè)量出參考信號(hào)的頻率，該頻率傳送到第一多諧波數(shù)控振蕩器223，第一多諧波數(shù)控振蕩器223產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)與參考信號(hào)頻率有關(guān)的內(nèi)部反饋信號(hào)，反饋到多諧波鑒相器221，與參考信號(hào)進(jìn)行鑒相。鑒相結(jié)果經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器222濾波，獲得內(nèi)部反饋信號(hào)與參考信號(hào)的相位差，該相位差提供給第一多諧波數(shù)控振蕩器223，從而控制內(nèi)部反饋信號(hào)的相位。最終實(shí)現(xiàn)內(nèi)部反饋信號(hào)與參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)同頻同相，鎖定參考信號(hào)的相位。

參考信號(hào)的相位鎖定之后，第一多諧波數(shù)控振蕩器223產(chǎn)生與參考信號(hào)同相和正交的兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波，進(jìn)入到第一雙路正交混頻器224，與數(shù)字形式的光強(qiáng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)正交混頻，混頻結(jié)果經(jīng)第一低通濾波器濾波225，由第一幅值相位計(jì)算單元226計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。外部參考模式下，光強(qiáng)信號(hào)的相位是相對(duì)調(diào)制控制器54產(chǎn)生的同步信號(hào)而言的。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例中參考鎖相環(huán)為互參考鎖相環(huán)模式，互參考模式針對(duì)不提供標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)的測(cè)量，或者是只需要測(cè)量?jī)陕反郎y(cè)信號(hào)的相位差的情況?；⒖寄Ｊ桨ㄒ阎郎y(cè)信號(hào)頻率和未知待測(cè)信號(hào)頻率兩種，已知待測(cè)信號(hào)頻率的工作方式包含在未知待測(cè)信號(hào)頻率之內(nèi)，所以下面只針對(duì)未知待測(cè)信號(hào)頻率的情況展開描述。

互參考模式對(duì)于兩路輸入的處理基本一致，其中一路稱為參考通道，作為參考點(diǎn)；另一路稱為主通道，其相位值是相對(duì)參考通道的信號(hào)而言的，其工作流程如下及附圖4。具體地，所述互參考鎖相環(huán)23包括順次連接的第一頻率提取器231和第二多諧波數(shù)控振蕩器232；所述第二多諧波數(shù)控振蕩器232后還順次連接有兩回路；所述回路包括順次連接的第二雙路正交混頻器233、第二低通濾波器234和第二幅值相位計(jì)算單元235.

所述第一待測(cè)信號(hào)和第二待測(cè)信號(hào)分別經(jīng)各自的模擬鏈路1處理后，轉(zhuǎn)換成兩路第一數(shù)字待測(cè)信號(hào)和兩路第二數(shù)字待測(cè)信號(hào)；一路所述第一數(shù)字待測(cè)信號(hào)進(jìn)入所述第一頻率提取器231提取出第一數(shù)字待測(cè)信號(hào)的頻率信息，所述頻率信息發(fā)送至所述第二多諧波數(shù)控振蕩器232，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的同相和正交兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波，與另一路所述第一數(shù)字待測(cè)信號(hào)在第二雙路正交混頻器233中混頻后，經(jīng)第二低通濾波器濾波234，由第二幅值相位計(jì)算單元235算出第一待測(cè)信號(hào)的幅值和相位.

其中所述第二數(shù)字待測(cè)信號(hào)采用同所述第一數(shù)字待測(cè)信號(hào)的處理方式，得到第二待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。

兩路待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大、抗混疊濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，都進(jìn)入到互參考鎖相環(huán)。首先由所述第一頻率提取器231找出兩路信號(hào)共同的特征頻率點(diǎn)，將特征頻率送入第二多諧波數(shù)控振蕩器232，所述第二多諧波數(shù)控振蕩器232產(chǎn)生該特征頻率的正交兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波，同時(shí)送入到兩個(gè)第二雙路正交混頻器233，兩路待測(cè)信號(hào)也對(duì)應(yīng)輸入到第二雙路正交混頻器233，混頻結(jié)果經(jīng)第二低通濾波器234，送到幅值相位計(jì)算單元，分別算出第一待測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)正弦波的相位差、第二待測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)正弦波的相位差，從而間接算出第一待測(cè)信號(hào)與第二待測(cè)信號(hào)的相位差，這就是互參考模式及互參考鎖相環(huán)，其相位值是相對(duì)而言的。

互參考鎖相環(huán)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是第一頻率提取器231。目前的鎖相放大器，大多數(shù)沒(méi)有提到頻率測(cè)量，待測(cè)信號(hào)的頻率通常是已知的；上述的外部參考模式，待測(cè)信號(hào)的頻率是通過(guò)外部參考信號(hào)測(cè)量的。如果不提供外部參考信號(hào)，而待測(cè)信號(hào)的頻率是未知的，則無(wú)法控制振蕩器產(chǎn)生特定頻率的正弦波，也就無(wú)法應(yīng)用鎖相放大技術(shù)。所述第一頻率提取器231就是針對(duì)這種情況，用于測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率的。

通常待測(cè)信號(hào)混入了諸多噪聲，信號(hào)邊沿會(huì)因?yàn)樵肼暥兊闷骄徢叶秳?dòng)，無(wú)法通過(guò)常規(guī)的過(guò)零檢測(cè)方法測(cè)出信號(hào)頻率。某些情況下，fft可以用來(lái)提取頻率信息，但是誤差非常大，并且對(duì)于噪聲較大的情況，fft結(jié)果會(huì)淹沒(méi)在噪聲中，沒(méi)辦法識(shí)別譜峰。

所述第一頻率提取器231綜合了多重自相關(guān)、fft、譜峰識(shí)別、pid控制等技術(shù)，能夠精準(zhǔn)地測(cè)出淹沒(méi)在噪聲的待測(cè)信號(hào)的頻率，從而提供頻率信息給多諧波數(shù)控振蕩器，實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的鎖相放大測(cè)量。

在詳細(xì)描述第一頻率提取器231的工作原理和過(guò)程之前，先講述多重自相關(guān)用于頻率提取的原理。

假設(shè)混雜了噪聲的待測(cè)信號(hào)的表達(dá)式如下

x(t)＝s(t)+n(t)＝asin(ωt+θ)+n(t)

其中n(t)為噪聲。對(duì)上式進(jìn)行一次自相關(guān)運(yùn)算，如下

結(jié)果可分成四項(xiàng)

r(τ)＝r1(τ)+r2(τ)+r3(τ)+r4(τ)

其中各項(xiàng)如下

第一項(xiàng)r1(τ)是待測(cè)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，第二項(xiàng)r2(τ)是待測(cè)信號(hào)與噪聲的互相關(guān)函數(shù)，第三項(xiàng)r3(τ)是噪聲與待測(cè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，第四項(xiàng)r4(τ)是噪聲的自相關(guān)函數(shù)。按照相關(guān)理論，如果噪聲n(t)為高斯白噪聲，當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，后三項(xiàng)都趨于0，所以混雜了噪聲的待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)一次自相關(guān)運(yùn)算后近似等于

在實(shí)際中，噪聲不一定是理想的高斯白噪聲，積分時(shí)間t也不是趨于無(wú)窮的，所以與噪聲相關(guān)運(yùn)算的項(xiàng)尚不能忽略不計(jì)，所以經(jīng)過(guò)一次自相關(guān)的信號(hào)如下

其中n′(t)比n(t)小很多。這樣就提高了待測(cè)信號(hào)的信噪比。但是，在噪聲嚴(yán)重淹沒(méi)待測(cè)信號(hào)的情況下，一次自相關(guān)對(duì)信噪比的改善程度有限。因此，可以進(jìn)行多次自相關(guān)，如下

多重自相關(guān)運(yùn)算之后，信號(hào)頻率值保持不變，而噪聲越來(lái)越小，信噪比大大提高了，此時(shí)待測(cè)信號(hào)的特征，相比多重自相關(guān)運(yùn)算之前，能夠明顯地體現(xiàn)出來(lái)，為進(jìn)一步提取信號(hào)頻率做了基礎(chǔ)工作。

雖然多重自相關(guān)會(huì)丟失待測(cè)信號(hào)的相位信息，但是這個(gè)步驟僅僅是用來(lái)提取待測(cè)信號(hào)的頻率信息；而待測(cè)信號(hào)的相位信息，在進(jìn)入多重自相關(guān)運(yùn)算之前，原始信號(hào)已經(jīng)分出一路輸入到第二雙路正交混頻器233中(附圖4)，將通過(guò)雙相數(shù)字鎖相放大技術(shù)算出相位。

如果待測(cè)信號(hào)存在多個(gè)固定頻率的干擾，如下

其中為干擾頻率；同樣根據(jù)多重自相關(guān)理論，得到待測(cè)信號(hào)多重自相關(guān)的結(jié)果為

可見(jiàn)多重自相關(guān)的結(jié)果是，各個(gè)頻率互不影響，而所有頻率的信噪比會(huì)越來(lái)越高。

所述第一頻率提取器231，如附圖7所示，包含多重自相關(guān)器41、fft模塊42、譜峰識(shí)別器43和掃描控制器44。

待測(cè)信號(hào)輸入到多重自相關(guān)器41，進(jìn)行多次的自相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算次數(shù)可根據(jù)信噪比可調(diào)。多重自相關(guān)器41使得待測(cè)信號(hào)的信噪比大大提高。但是從多重自相關(guān)器41出來(lái)的信號(hào)還不能用常規(guī)的過(guò)零檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)頻率：

其一、為了效率考慮，自相關(guān)運(yùn)算次數(shù)不可能很多，這樣待測(cè)信號(hào)的信噪比就不能提升到足夠高，以滿足過(guò)零檢測(cè)法的要求；

其二、即使待測(cè)信號(hào)的質(zhì)量較高，在41自相關(guān)器內(nèi)只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單幾次的自相關(guān)運(yùn)算，信噪比就滿足過(guò)零檢測(cè)法的要求；但是，當(dāng)待測(cè)信號(hào)包含多階諧波時(shí)，不同頻率的正弦波合并而成的波形，必然不是正弦波形狀，這樣也無(wú)法用過(guò)零檢測(cè)法進(jìn)行測(cè)量了；

所以，多重自相關(guān)器41的作用是盡量提高待測(cè)信號(hào)的信噪比。

fft模塊接收多重自相關(guān)器41的輸出，進(jìn)行fft運(yùn)算，得到頻域信息。

待測(cè)信號(hào)的信噪比提高之后，再進(jìn)行fft運(yùn)算，其頻譜不會(huì)像低信噪比那樣淹沒(méi)在噪聲中了；譜峰的位置變得清晰固定，譜峰的寬度也會(huì)得到變窄。

fft運(yùn)算之后，還不能馬上得到重要的頻率點(diǎn)。因?yàn)閒ft運(yùn)算的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限，譜線必然是展寬的，不可能通過(guò)簡(jiǎn)單的大小順序排列得到譜峰的位置；要準(zhǔn)確識(shí)別譜峰的位置，需要用到譜峰識(shí)別技術(shù)。

譜峰識(shí)別器就是用于對(duì)fft運(yùn)算后的頻譜進(jìn)行譜峰識(shí)別的?？蛇x地，譜峰識(shí)別可以使用極值法。通過(guò)分析頻譜的極大值，可以確定譜峰位置。

進(jìn)行譜峰識(shí)別后，特征頻率點(diǎn)基本能夠確定。最后進(jìn)入到pid掃描控制器，在譜峰附近進(jìn)行精細(xì)掃描，使頻率的測(cè)量更加精確。此處的pid掃描控制器使用到pid技術(shù)進(jìn)行控制。

總結(jié)上述第一頻率提取器231的功能：通過(guò)多重自相關(guān)器41提高信號(hào)的信噪比，然后經(jīng)過(guò)fft模塊進(jìn)行fft變換得到頻率信息，由譜峰識(shí)別器取得譜峰頻率，在pid掃描控制器的輔助下確認(rèn)譜峰頻率的精細(xì)位置。上述過(guò)程使得互參考鎖相環(huán)能夠測(cè)出并鎖定待測(cè)信號(hào)的頻率，該頻率提供給多諧波控制器，產(chǎn)生正交的兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波用于鎖相放大。

為了更好的理解本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和原理，以探測(cè)未知超聲源的位置為例，如附圖9所示，不同位置的超聲探頭62、63，探測(cè)到超聲信號(hào)的相位不同。測(cè)量出探頭間的超聲信號(hào)的相位差，就可推算出超聲源相對(duì)兩個(gè)探頭62、63的張角，結(jié)合兩個(gè)探頭62、63間的距離、超聲傳播速度及其他參數(shù)，就能夠定位超聲源。未知超聲源51的頻率是未知的，這種情況適合使用互參考模式進(jìn)行測(cè)量。

所述超聲探頭62和63將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入到本發(fā)明所述的多參考模式鎖相放大器。兩路超聲信號(hào)的處理情況一致，所以僅講述其中一路超聲信號(hào)的處理。如附圖4所示，超聲電信號(hào)經(jīng)低噪聲前置放大器11放大、抗混疊濾波器12濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換成數(shù)字超聲信號(hào)。

數(shù)字超聲信號(hào)進(jìn)入到第一頻率提取器231，測(cè)出超聲信號(hào)的頻率。具體如附圖7所示，超聲信號(hào)進(jìn)入多重自相關(guān)器41，經(jīng)過(guò)多重自相關(guān)運(yùn)算，提高信號(hào)的信噪比；然后進(jìn)行fft模塊42，獲得頻譜分布圖；頻譜圖經(jīng)過(guò)譜峰識(shí)別器43識(shí)別峰值頻率后，基本確認(rèn)超聲信號(hào)的頻率；最后由pid掃描控制器44精細(xì)調(diào)整，將超聲信號(hào)的頻率傳送給第二多諧波數(shù)控振蕩器232。所述第二多諧波數(shù)控振蕩器232產(chǎn)生同相和正交的兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波，與數(shù)字超聲信號(hào)進(jìn)行正交混頻，混頻結(jié)果經(jīng)第二低通濾波器濾波234，由幅值相位計(jì)算單元235計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。

上述過(guò)程計(jì)算出其中一路超聲信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)正弦波的相位差；類似地，也可以計(jì)算出另一路超聲信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)正弦波的相位差，從而間接算出兩路超聲信號(hào)的相位差。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例為內(nèi)部參考模式，即參考鎖相環(huán)為內(nèi)部參考鎖相環(huán)24，具體其存在兩種工作方式：1、無(wú)參考信號(hào)的單路待測(cè)信號(hào)，信號(hào)頻率未知；2、鎖相放大器為待測(cè)電路提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，待測(cè)信號(hào)頻率是已知的。

對(duì)于內(nèi)部參考模式的第1種工作方式，類似于單路的互參考模式，如附圖5所示。具體地，所述內(nèi)部參考鎖相環(huán)24包括順次連接的第二頻率提取器241、第三多諧波數(shù)控振蕩器242、第三雙路正交混頻器243、第三低通濾波器244和第三幅值相位計(jì)算單元245；其中待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬鏈路后，轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字待測(cè)信號(hào)；

一路所述數(shù)字待測(cè)信號(hào)進(jìn)入所述第二頻率提取器241計(jì)算出其頻率，經(jīng)過(guò)所述第三多諧波數(shù)控振蕩器242產(chǎn)生相同頻率下的同相和正交的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，與另一路數(shù)字待測(cè)信號(hào)共同進(jìn)入第三雙路正交頻率器混頻243，混頻后通過(guò)第三低通濾波器濾波244，由第三幅值相位計(jì)算單元245算出待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。

待測(cè)信號(hào)進(jìn)入到低噪聲前置放大器放大后，經(jīng)抗混疊濾波器濾除高頻干擾，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入到第1種工作方式的內(nèi)部參考鎖相環(huán)。數(shù)字信號(hào)分成兩路，一路由第二頻率提取器241獲得信號(hào)頻率信息，頻率信息提供給第三多諧波數(shù)控振蕩器242；另一路與第三多諧波數(shù)控振蕩器242產(chǎn)生的正弦波在第三雙路正交混頻器243中鑒相，鑒相結(jié)果經(jīng)第三低通濾波器244后，由第三幅值相位計(jì)算單元245計(jì)算出幅值和相位。這種工作方式的內(nèi)部參考鎖相環(huán)的作用，與互參考鎖相環(huán)的作用類似，關(guān)鍵環(huán)節(jié)都是鎖定待測(cè)信號(hào)的頻率，因此不再贅述。由于這種工作模式不提供參考信號(hào)，因此測(cè)量的相位沒(méi)有意義。

內(nèi)部參考模式的第2種工作方式，如附圖6所示，具體地，所述內(nèi)部參考鎖相環(huán)24包括順次連接的第四多諧波數(shù)控振蕩器246、第四雙路正交混頻器247、第四低通濾波器248和第四幅值相位計(jì)算單元249；所述第四多諧波數(shù)控振蕩器248還順次連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換器240和待測(cè)電路3；所述第四多諧波數(shù)控振蕩器247產(chǎn)生一定頻率、一定幅值、一定相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，經(jīng)所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器240轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動(dòng)所述待測(cè)電路的模擬信號(hào)；所述待測(cè)電路經(jīng)過(guò)所述模擬鏈路1轉(zhuǎn)換成數(shù)字待測(cè)信號(hào)，所述數(shù)字待測(cè)信號(hào)與第四多諧波數(shù)控振蕩器246產(chǎn)生的兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波在所述第四雙路正交混頻器247中混頻，混頻后經(jīng)第四低通濾波器248濾波，由第四幅值相位計(jì)算單元249算出待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。

所述第四多諧波數(shù)控振蕩器246產(chǎn)生指定頻率、幅值和相位的數(shù)字正弦波，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器240轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)待測(cè)電路。待測(cè)電路3產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)輸入到低噪聲前置放大器11，經(jīng)抗混疊濾波器12濾波后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入到第2種工作方式的內(nèi)部參考鎖相環(huán)。數(shù)字信號(hào)與第四多諧波數(shù)控振蕩器246產(chǎn)生的正弦波在第四雙路正交混頻器247中鑒相鑒相結(jié)果經(jīng)第四低通濾波器248后，由第四幅值相位計(jì)算單元249計(jì)算出幅值和相位。

內(nèi)部參考模式的第2種工作方式有兩個(gè)特點(diǎn)：

1)內(nèi)部參考模式的相位測(cè)量是以自身為參考點(diǎn)的；

2)內(nèi)部參考模式為外部待測(cè)電路提供了驅(qū)動(dòng)信號(hào)，待測(cè)信號(hào)頻率是已知的。

對(duì)于第1種工作方式，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的初始相位是未知的，因此無(wú)法測(cè)出待測(cè)電路單獨(dú)造成的相位延遲。而第2種工作方式，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由內(nèi)部第四多諧波數(shù)控振蕩器246控制的。內(nèi)部鎖相環(huán)可以任意控制第四多諧波數(shù)控振蕩器246產(chǎn)生的正弦波的頻率、幅值、相位。以自身為參考點(diǎn)，那么待測(cè)電路3造成的相位延遲、甚至頻率偏移便都能夠求出來(lái)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)間基準(zhǔn)與內(nèi)部鎖相環(huán)的時(shí)間基準(zhǔn)相同，比起不同時(shí)間基準(zhǔn)的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)待測(cè)電路的待測(cè)信號(hào)的測(cè)量更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。

所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器240，優(yōu)選為ad5360，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器240能夠具有可調(diào)節(jié)的輸出范圍，輸出范圍較寬，適應(yīng)多種驅(qū)動(dòng)電壓的需要。

所述第一低通濾波器225、第二低通濾波器234、第三低通濾波器244和第四低通濾波器248，優(yōu)選為數(shù)字iir濾波器，使用較低階數(shù)就能實(shí)現(xiàn)較高的陡降。

上述所有數(shù)字算法，可以在dsp或fpga上實(shí)現(xiàn)，優(yōu)選為fpga，因?yàn)閒pga并行處理的速度更快。

本實(shí)施例所述的內(nèi)參考模式的第一種工作方式，與互參考模式的工作過(guò)程較為相似，差別在于，內(nèi)部參考模式的第1種工作方式僅處理單路信號(hào)，能夠測(cè)出信號(hào)的頻率和幅值，相位值沒(méi)有意義。

對(duì)于內(nèi)部參考模式的第2種工作方式，以材料諧振點(diǎn)的測(cè)量為例，如附圖10和附圖6所示，多參考模式鎖相放大器的第四多諧波數(shù)控振蕩器246產(chǎn)生幅值、頻率、相位任意可調(diào)的正弦波，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器240轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。該模擬正弦波驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)射換能器71產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波，該超聲波進(jìn)入到待測(cè)材料，待測(cè)材料的響應(yīng)傳送到超聲接收換能器72，超聲接收換能器72將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入到本發(fā)明所述內(nèi)部模式鎖相放大器24進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量出超聲信號(hào)通過(guò)待測(cè)材料的頻率特性和相位特性，能夠用來(lái)分析待測(cè)材料的結(jié)構(gòu)和材料組成。

超聲接收換能器產(chǎn)生的電信號(hào)，如附圖6所示，首先由低噪聲前置放大器11放大，然后經(jīng)過(guò)抗混疊濾波器12低通濾波，被模數(shù)轉(zhuǎn)換器13轉(zhuǎn)換成數(shù)字超聲信號(hào)。由于超聲信號(hào)的頻率是已知的，所以不用進(jìn)行頻率測(cè)量，超聲信號(hào)直接傳送到第四雙路正交混頻器247，與第四多諧波數(shù)控振蕩器246產(chǎn)生的同相和正交的兩路標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行正交混頻，混頻結(jié)果被低通濾波，由第四幅值相位計(jì)算單249計(jì)算出超聲信號(hào)的幅值和相位。

為了獲得超聲信號(hào)通過(guò)待測(cè)材料的相位延遲，要對(duì)超聲發(fā)射換能器71和超聲接收換能器72的相位特性進(jìn)行標(biāo)定。如圖11所示，把材料撤走，直接測(cè)量超聲發(fā)射換能器到超聲接收換能器72的相位特性；由于標(biāo)定過(guò)程與測(cè)量材料的過(guò)程相似，這里不再描述。

相比于現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明所述的鎖相放大器的特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)相位測(cè)量存在不重視、概念模糊的情況，詳細(xì)地分析了相位測(cè)量有關(guān)概念和技術(shù)，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，提出了外部參考模式、互參考模式和內(nèi)部參考模式，以應(yīng)對(duì)不同的實(shí)際測(cè)量要求，為鎖相放大技術(shù)應(yīng)用于相位測(cè)量提供了支持。

2、所述外部參考模式，使用了外部參考鎖相環(huán)技術(shù)來(lái)鎖定相位。所述外部參考鎖相環(huán)，相比于現(xiàn)有的鎖相環(huán)技術(shù)，結(jié)合了多諧波鑒相器222與第一多諧波數(shù)控振蕩器223，能夠接受多路內(nèi)部反饋信號(hào)的輸入，進(jìn)行多路諧波的鑒相；在低頻測(cè)量模式下，能夠通過(guò)測(cè)量外部參考信號(hào)的高次諧波，達(dá)到加速調(diào)相、精細(xì)調(diào)相的目的。

3、所述互參考模式，結(jié)合了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通過(guò)多重自相關(guān)、fft、譜峰識(shí)別、pid控制等技術(shù)，精確地測(cè)量出待測(cè)信號(hào)的頻率，解決了無(wú)外部參考信號(hào)下信號(hào)頻率測(cè)量的問(wèn)題。獲得待測(cè)信號(hào)的頻率后，通過(guò)鎖相放大技術(shù)，計(jì)算出兩路待測(cè)信號(hào)的幅值和相對(duì)相位。

4、所述內(nèi)部參考模式，特別是所述第2種工作方式，為外部待測(cè)電路3提供了驅(qū)動(dòng)信號(hào)，滿足了需要驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電路測(cè)量的要求。由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)是內(nèi)部第四多諧波數(shù)控振蕩器246產(chǎn)生的，其頻率、相位和幅值都可以任意調(diào)整，以自身為參考點(diǎn)，那么待測(cè)電路3造成的相位延遲、甚至頻率偏移便都能夠求出來(lái)。由于時(shí)間基準(zhǔn)來(lái)自于測(cè)量系統(tǒng)本身，信號(hào)的測(cè)量會(huì)更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。

本發(fā)明所述的多參考模式的數(shù)字鎖相放大器的的其它結(jié)構(gòu)參見(jiàn)現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。