專利名稱：一種用于教學實驗的數(shù)字鎖相放大實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微弱信號探測放大設(shè)備領(lǐng)域，更具體的說是一種用于教學實驗的數(shù)字 鎖相放大實驗裝置。
背景技術(shù)：
在自然科學的研究與測量工程實踐中，經(jīng)常會遇到微毫伏級信號測量的問題，如 何獲取這些弱信號信息需要通過各種各樣的檢測方法。例如測定地震的波形和波速、材料 分析時測量熒光光強、衛(wèi)星信號的接收、紅外探測以及生物電信號測量等，它們最終都是把 自然界的非電物理量通過傳感器轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號。然而，這些被測信號非常微弱，很 容易被噪聲淹沒，對它們的檢測往往變得十分困難。微弱信號檢測就是利用近代電子學和信號處理方法從噪聲中提取有用信號的一 門新興技術(shù)學科。它是在信息論和隨機過程理論研究的基礎(chǔ)上，通過對信號噪聲本質(zhì)的研 究發(fā)展起來的。它用科學的方法分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號和噪聲的統(tǒng)計 特征及其差別，采用一系列信號處理方法，達到檢測被測噪聲覆蓋的微弱信號的目的。在 這些方法中，鎖相放大技術(shù)是其中一種被使用得最廣泛得方法.也被認為是最為有效的方 法。國內(nèi)已申請的鎖相放大器相關(guān)專利都是針對科研實驗設(shè)計的，沒有專門用于物理 教學實驗的鎖相放大器專利。本實驗室(中山大學光電材料與技術(shù)國家重點實驗室)多年 來一直致力于數(shù)字鎖相放大器的研究，已有一個名為一種數(shù)字鎖相放大器的專利(授權(quán)公 告號CN100461629C)，該鎖相放大器引進了自跟蹤窄帶濾波技術(shù)，極大地提高了鎖相放大器 的動態(tài)儲備，采用可編程邏輯器件實現(xiàn)雙相鎖相放大器相敏相關(guān)算法，是一款真正意義上 的數(shù)字鎖相放大器。但該鎖相放大器也是專門面向科研實驗的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點與不足，提供了一種用于教學實驗的數(shù) 字鎖相放大實驗裝置，可以將數(shù)字鎖相放大實驗裝置內(nèi)部各個模塊的信號輸出到面板，學 生可以通過示波器觀察各模塊處理后信號的變化，幫助學生理解數(shù)字鎖相放大實驗裝置內(nèi) 部實現(xiàn)的原理，并讓學生將各模塊連接起來，便于教學實驗。本發(fā)明的具體實現(xiàn)方案如下—種用于教學實驗的數(shù)字鎖相放大實驗裝置，包括信號通道、參考通道、信號處 理器，信號通道包括串聯(lián)的信號前級放大模塊和抗混疊濾波器，信號通道通過A/D轉(zhuǎn)換器 與信號處理器連接，參考通道與信號處理器連接；所述信號處理器包括與A/D轉(zhuǎn)換器、參 考通道連接的相敏相關(guān)檢測模塊，第一數(shù)字低通濾波器，第二數(shù)字低通濾波器及平方根和 arctan(i)運算模塊；相敏相關(guān)檢測模塊的正弦相乘輸出和余弦相乘輸出分別對應通過第 一數(shù)字低通濾波器和第二數(shù)字低通濾波器連接平方根和arctan(i)運算模塊；其特征在 于，信號前級放大模塊的輸出端通過繼電器選擇連接信號前級放大輸出接口或抗混疊濾波器的輸入端；抗混疊濾波器的輸入端還連接有濾波器輸入接口，抗混疊濾波器的輸出端通 過繼電器選擇連接濾波器輸出接口或A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端；A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端還連有相 敏相關(guān)檢測輸入接口 ；參考通道通過繼電器選擇連接參考信號輸出接口或相敏相關(guān)檢測模 塊，相敏相關(guān)檢測模塊還連接一參考信號輸入接口 ；相敏相關(guān)檢測模塊的正弦相乘輸出通 過第一 D/A轉(zhuǎn)換器連接相敏相關(guān)檢測輸出接口，第一數(shù)字低通濾波器的輸出端通過第二 D/ A轉(zhuǎn)換器連接X通道輸出接口。本發(fā)明的數(shù)字鎖相放大實驗裝置還包括一多路選擇器，多路選擇器的輸入端連 有抗混疊濾波器的輸入端、A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端、相敏相關(guān)檢測模塊的正弦相乘輸出端、第 一 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端和第二 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端。信號處理器連有數(shù)字低通濾波器輸入接口和電阻，電阻連有電源，信號處理器通 過探測低通濾波器輸入接口(84)與相敏相關(guān)檢測輸出接口的連接以控制第二 D/A轉(zhuǎn)換器 的輸出。本發(fā)明的數(shù)字鎖相放大實驗裝置還包括信號發(fā)生器模塊。所述信號發(fā)生器模塊包括用于產(chǎn)生頻率和幅值可調(diào)的正弦信號和TTL同步信號 的DDS模塊，噪聲發(fā)生器模塊和用于將噪聲加到正弦信號的加法器模塊。第一數(shù)字低通濾波器和第二數(shù)字低通濾波器采用四階IIR低通濾波器；采用四階 IIR低通濾波器代替原來的積分運算，避開了由于積分不是信號的整數(shù)周期而帶來的數(shù)據(jù) 不穩(wěn)定性，而且UR低通濾波器比平均值濾波器有更好的衰減斜率，容易做到更低的截止 頻率。所述信號前級放大模塊具有兩個信號輸入端，還包括依次串聯(lián)的電流電壓轉(zhuǎn)換模 塊、輸入耦合模塊、差分放大器、程控放大器、數(shù)控衰減器。所述相敏相關(guān)檢測模塊(301)包括用于對參考信號進行測頻的測頻模塊， Cordic發(fā)生器，第一乘法器和第二乘法器；測頻模塊輸至Cordic發(fā)生器，經(jīng)Cordic發(fā)生器 輸出的正弦、余弦信號分別與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號對應在第一乘法器和第二乘法器進行 相乘后，對應輸至第一數(shù)字低通濾波器和第二數(shù)字低通濾波器。所述信號處理器采用一片可編程邏輯器件來實現(xiàn)。所述數(shù)字鎖相放大器還包括一用于控制信號通道、參考通道和信號處理器的中 央控制器，中央控制器連一人機界面。本發(fā)明通過設(shè)計多個繼電器將各模塊分拆及設(shè)計各輸出接口和輸入接口，使得本 裝置具有用戶手動連接數(shù)字鎖相放大實驗裝置內(nèi)部各個模塊的功能，也便于用戶直觀了解 各模塊的工作，幫助用戶理解數(shù)字鎖相放大實驗裝置內(nèi)部實現(xiàn)的原理，非常利于教學。本發(fā)明通過設(shè)計探測電路虛擬拆分數(shù)字部分(相敏相關(guān)檢測模塊和第一數(shù)字低 通濾波器)，進一步完善模塊分拆，便于用戶了解。本發(fā)明通過設(shè)計多路選擇器，可在整個裝置運作下(不切斷各模塊的連接)，在單 個輸出口選擇輸出信號前級放大模塊輸出信號、抗混疊濾波器輸出信號、相敏相關(guān)檢測模 塊輸出信號和第一數(shù)字低通濾波器信號，便于直觀看出整個裝置的工作過程。還集成了信號發(fā)生器(可以產(chǎn)生噪聲信號)，用戶可以在一個實驗儀器上完成鎖 相放大器原理的實驗。為了能更清晰的理解本發(fā)明，以下將結(jié)合


闡述本發(fā)明的具體實施方式
。

圖1是本發(fā)明的方框圖；圖2是本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的相敏相關(guān)算法結(jié)構(gòu)框圖；圖4是本發(fā)明的低通濾波器結(jié)構(gòu)框圖；圖5是探測電路示意圖；圖6是本發(fā)明的信號發(fā)生器模塊圖；圖7是本發(fā)明的噪聲發(fā)生器的原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施例來更詳細地描述本發(fā)明。如圖1所示，一種用于教學實驗的數(shù)字鎖相放大實驗裝置，包括相互連接的人機 界面和中央控制器及受中央控制器控制的信號通道1、參考通道2、信號處理器3;待測信號 從信號通道1輸入，在信號通道1中對其進行電流電壓轉(zhuǎn)換、放大和濾波。隨后，該待測信 號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并輸入信號處理器3，在本實施例中采用可編程邏輯控 制器(FPGA)進行處理。參考信號經(jīng)參考通道2進行整形后，可選擇以方波信號或正弦波信 號輸入信號處理器3。由信號處理器3將待測信號和參考信號進行運算后得到所需信號的 幅度值及相位。人機界面包括5.7英寸320XM0點陣液晶外界顯示屏和鍵盤。使用者通 過人機界面進行操作，通過中央控制器控制本裝置的運作，包括各繼電器的運作。如圖2所示，信號通道1包括信號前級放大模塊101和抗混疊濾波器17，信號前級 放大模塊的輸出端通過繼電器91選擇連接信號前級放大輸出接口 71或抗混疊濾波器17 的輸入端，抗混疊濾波器17的輸入端還連接有濾波器輸入接口 81，抗混疊濾波器17的輸出 端通過繼電器92選擇連接濾波器輸出接口 72或A/D轉(zhuǎn)換器4的輸入端。信號前級放大模 塊101具有兩個信號輸入端A和B，還包括依次串聯(lián)的電流轉(zhuǎn)電壓模塊11、耦合模塊12、差 分放大器13、程控放大器15和數(shù)控衰減器16。信號通道1輸入信號的幅值范圍InV IV，頻率范圍ImHz 300kHz。由于輸入 信號的幅值比較小，并且夾雜在各種噪聲中，因此信號通道1要將輸入的檢測信號進行模 擬增益，并盡可能過濾掉噪音。其中，耦合模塊I2包括輸入耦合模塊121和輸入耦合模塊122。信號輸入端A連接電流轉(zhuǎn)電壓模塊的輸入端。電流轉(zhuǎn)電壓模塊11的作用是將輸 入的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，若輸入信號為電壓信號，該模塊關(guān)斷。輸入耦合模塊121的 輸入端通過繼電器94切換可以與信號輸入端A直接連接，也可以與電流電壓轉(zhuǎn)換模塊11 的輸出端連接，輸出端與差分放大器13的正端連接。信號輸入端B與輸入耦合模塊122的輸入端直接相連，該輸入耦合模塊122的輸 出端與差分放大器13的負端連接。輸入耦合模塊122的輸入端通過繼電器95切換可以與 信號輸入端B連接或接入地。耦合模塊12具有交流耦合和直流耦合兩種模式。交流放大 時應保證轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時有足夠大的幅值。差分放大器13的正負輸入端分別與輸入耦合模塊121、122的輸出端連接，輸出端與程控放大器15的輸入端連接。該差分放大器13的輸入阻抗極大，噪聲極低，用以對輸入 A、B通道的信號實現(xiàn)差分運算和信號放大。程控放大器15的主要作用是對信號進行放大，其輸入端與差分放大器13的的輸 出端連接，輸出端與數(shù)控衰減器16的輸入端連接。數(shù)控衰減器16的輸出端通過繼電器91 選擇連接信號前級放大輸出接口 71或抗混疊濾波器17的輸入端，其主要作用是對大信號 進行衰減?？够殳B濾波器17的作用是濾除不需要的信號，并在不失真前提下，將需要數(shù)字化 的信號的頻率上限限制在采樣頻率的一半以下，避免A/D轉(zhuǎn)換器4的信號出現(xiàn)虛假信號。 該抗混疊濾波器17采用自跟蹤窄帶濾波器，自跟蹤窄帶濾波器能夠?qū)崟r跟蹤輸入信號的 頻率，將中心頻率調(diào)到和輸入信號頻率一致，其Q值設(shè)置為1 ；這個部分的主要作用有兩點 1.在模數(shù)轉(zhuǎn)換前對信號進行抗混疊濾波；2.濾除大部分不相關(guān)的噪聲，極大地提高了系統(tǒng) 的動態(tài)儲備。A/D轉(zhuǎn)換器4的輸入端還連有相敏相關(guān)檢測輸入接口 82，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器4的 模數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入信號處理器3中，依據(jù)一定的算法完成相敏檢波器的功能，再通過數(shù)字低 通濾波器后獲取差頻后的直流信號。參考通道2與信號通道1采用相同的采樣速率、提供數(shù)字相敏檢波器所需要的相 位信息。參考通道2輸入信號的頻率范圍ImHz 300kHz。參考通道2包括參考信號輸入 端21和信號整形電路模塊22，信號整形電路模塊22的輸出端通過繼電器93選擇連接參考 信號輸出接口 73或信號處理器3。該信號整形電路模塊22包括方波整形模塊221和正弦 波整形模塊222，并具有正沿觸發(fā)和負沿觸發(fā)兩種模式，其主要作用是將參考信號輸入整形 為信號處理器3可識別的數(shù)字信號。參考信號輸入端21通過繼電器96選擇連接方波整形 模塊221或正弦波整形模塊222。如圖2所示，信號處理器3由可編程邏輯器件(FPGA)來實現(xiàn)。在信號處理器3內(nèi)設(shè) 置相敏相關(guān)檢測模塊301、第一低通濾波器34和第二低通濾波器34’及平方根和arctan (i) 運算模塊35，相敏相關(guān)檢測模塊301將待測信號和參考信號進行相敏相關(guān)檢測運算后形成 兩路輸出，兩路輸出分別輸入第一數(shù)字低通濾波器34和第二數(shù)字低通濾波器34’，第一數(shù) 字低通濾波器34和第二數(shù)字低通濾波器34’的輸出輸入平方根和arctan(i)運算模塊35 進行運算得到所需信號的幅度值R及相位θ。相敏相關(guān)檢測模塊301包括測頻模塊31、Cordic發(fā)生器32、第一乘法器33和第 二乘法器33’。為了減少數(shù)字鎖相環(huán)的鎖定時間，采用測頻模塊31用于對參考信號進行測 頻。測頻模塊31將測到的參考信號頻率輸入到Cordic發(fā)生器32。該測頻模塊31的測頻 精度到0. OOlHz0在本實施例中，測頻模塊31采用分頻段測頻法對不同頻段的信號進行不 同的分頻測量，再將測量數(shù)據(jù)輸入到Cordic發(fā)生器32中。Cordic發(fā)生器32是一個基于Cordic算法的正弦信號發(fā)生器。Cordic算法可將 復雜運算分解為統(tǒng)一的簡單移位、加法迭代運算，其基本思想是通過一系列固定的、與運算 基數(shù)相關(guān)的角度不斷偏擺來逼近所需的旋轉(zhuǎn)角度。其每一級運算依照如下公式(1) (3) 進行xi+1 = χ-γ^^^(1)yi+1 = Yi+Xid^^(2)
zi+1 = Zi-C^tarT1 (2_i) (3)使\ = 0的旋轉(zhuǎn)稱為旋轉(zhuǎn)模式(rotation mode)，yn = 0的旋轉(zhuǎn)稱為向量模式 (vector mode)。本發(fā)明中的Cordic發(fā)生器32采用旋轉(zhuǎn)模式，輸入角度值，通過Cordic算 法就可以得到相應的正弦值或者余弦值。參考信號經(jīng)過參考通道2進入信號處理器3經(jīng)測頻模塊31對其進行頻率測量，并 將測量結(jié)果輸入到Cordic發(fā)生器32 ；Cordic發(fā)生器32根據(jù)測頻模塊31測得的頻率值產(chǎn) 生相位相差90度的一路正弦信號和一路余弦信號。輸入信號通過信號通道1再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換后進入信號處理器3后，與Cordi c 發(fā)生器32產(chǎn)生的相位相差90度的一路正弦信號、一路余弦信號分別在第一乘法器33、第 二乘法器33’進行相乘，相乘后的兩路結(jié)果分別輸入第一數(shù)字低通濾波器34和第二數(shù)字低 通濾波器34’，第一數(shù)字低通濾波器34和第二數(shù)字低通濾波器34’的輸出均輸入平方根和 arctan(i)運算模塊35進行運算得到信號的幅度值及相位。即經(jīng)輸入信號分成兩路分別進 行相敏相關(guān)檢測的結(jié)果，再利用平方根和arctan (i)運算模塊35得到信號的幅度值R及相 位θ。如圖3所示，相敏相關(guān)算法的結(jié)構(gòu)框圖，假設(shè)輸入信號的波形方程為
權(quán)利要求
1.一種用于教學實驗的數(shù)字鎖相放大實驗裝置，包括信號通道(1)、參考通道O)、信 號處理器(3)，信號通道(1)包括串聯(lián)的信號前級放大模塊(101)和抗混疊濾波器(17)，信 號通道(1)通過A/D轉(zhuǎn)換器(4)與信號處理器C3)連接，參考通道( 與信號處理器(3) 連接；所述信號處理器C3)包括與A/D轉(zhuǎn)換器0)、參考通道( 連接的相敏相關(guān)檢測模塊 (301)，第一數(shù)字低通濾波器(34)，第二數(shù)字低通濾波器(34’)及平方根和arctanG)運算 模塊(35)；相敏相關(guān)檢測模塊(301)的正弦相乘輸出和余弦相乘輸出分別對應通過第一數(shù) 字低通濾波器(34)和第二數(shù)字低通濾波器(34’)連接平方根和arctan(i)運算模塊(35)； 其特征在于信號前級放大模塊(101)的輸出端通過繼電器(91)選擇連接信號前級放大輸出接口 (71)或抗混疊濾波器(17)的輸入端；抗混疊濾波器(17)的輸入端還連接有濾波器輸入接 口(81)，抗混疊濾波器(17)的輸出端通過繼電器(9 選擇連接濾波器輸出接口(72)或 A/D轉(zhuǎn)換器(4)的輸入端；A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端還連有相敏相關(guān)檢測輸入接口(82)；參考通道( 通過繼電器(9 選擇連接參考信號輸出接口(7 或相敏相關(guān)檢測模塊 (301)，相敏相關(guān)檢測模塊(301)還連接一參考信號輸入接口(83)；相敏相關(guān)檢測模塊(301)的正弦相乘輸出通過第一 D/A轉(zhuǎn)換器(5)連接相敏相關(guān)檢測 輸出接口(74)，第一數(shù)字低通濾波器(34)的輸出端通過第二 D/A轉(zhuǎn)換器(5，)連接X通道 輸出接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字鎖相放大實驗裝置，其特征在于還包括多路選擇器 (6)，多路選擇器(6)的輸入端連有抗混疊濾波器(17)的輸入端、A/D轉(zhuǎn)換器(4)的輸入端、 相敏相關(guān)檢測模塊(301)的正弦相乘輸出端、第一 D/A轉(zhuǎn)換器(5)的輸出端和第二 D/A轉(zhuǎn) 換器(5’ )的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字鎖相放大實驗裝置，其特征在于信號處理器(3)連有 數(shù)字低通濾波器輸入接口(84)和電阻，電阻連有電源，信號處理器C3)通過探測低通濾波 器輸入接口(84)與相敏相關(guān)檢測輸出接口(74)的連接以控制第二 D/A轉(zhuǎn)換器(5’ )的輸出ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字鎖相放大實驗裝置，其特征在于還包括信號發(fā)生器模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字鎖相放大實驗裝置，其特征在于所述信號發(fā)生器模塊 包括用于產(chǎn)生頻率和幅值可調(diào)的正弦信號和TTL同步信號的DDS模塊，噪聲發(fā)生器模塊和 用于將噪聲加到正弦信號的加法器模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字鎖相放大器，其特征在于第一數(shù)字低通濾波器(34)和 第二數(shù)字低通濾波器(34’ )采用四階HR低通濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字鎖相放大實驗裝置，其特征在于所述信號前級放大模 塊(101)具有兩個信號輸入端，還包括依次串聯(lián)的電流電壓轉(zhuǎn)換模塊(11)、輸入耦合模塊 (12)、差分放大器(13)、程控放大器(15)、數(shù)控衰減器(16)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字鎖相放大實驗裝置，其特征在于所述相敏相關(guān)檢測模 塊(301)包括用于對參考信號進行測頻的測頻模塊(31) ,Cordic發(fā)生器(32)，第一乘法器 (33)和第二乘法器(33’)；測頻模塊(31)輸至Cordic發(fā)生器(32)，經(jīng)Cordic發(fā)生器(33)輸出的正弦、余弦信號分別與A/D轉(zhuǎn)換器(4)的輸入信號對應在第一乘法器(33)和第二乘 法器(33’)進行相乘后，對應輸至第一數(shù)字低通濾波器(34)和第二數(shù)字低通濾波器(34’)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字鎖相放大實驗裝置，其特征在于所述信號處理器(3) 采用一片可編程邏輯器件來實現(xiàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字鎖相放大器，其特征在于所述數(shù)字鎖相放大器還包括 一用于控制信號通道(1)、參考通道( 和信號處理器(3)的中央控制器，中央控制器連接 一人機界面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于教學實驗的數(shù)字鎖相放大實驗裝置，信號前級放大模塊的輸出端通過繼電器選擇連接信號前級放大輸出接口或抗混疊濾波器的輸入端；抗混疊濾波器的輸入端還連接有濾波器輸入接口，抗混疊濾波器的輸出端通過繼電器選擇連接濾波器輸出接口或A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端；A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端還連有相敏相關(guān)檢測輸入接口；參考通道通過繼電器選擇連接參考信號輸出接口或相敏相關(guān)檢測模塊，相敏相關(guān)檢測模塊還連接一參考信號輸入接口；相敏相關(guān)檢測模塊的正弦相乘輸出通過第一D/A轉(zhuǎn)換器連接相敏相關(guān)檢測輸出接口，第一數(shù)字低通濾波器的輸出端通過第二D/A轉(zhuǎn)換器連接X通道輸出接口。本發(fā)明便于教學實驗。
文檔編號G09B23/18GK102122456SQ201110044568
公開日2011年7月13日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月24日
發(fā)明者何振輝, 徐輝, 王自鑫, 胡慶榮, 蔡志崗 申請人:中山大學