專利名稱：一種數(shù)字鎖相放大器和數(shù)字鎖相控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字鎖相放大器和數(shù)字鎖相控制方法。
背景技術(shù)：
單頻信號檢測是最為常見的信號檢測需求，廣泛存在于各種測量儀器儀表和測控系統(tǒng)中。現(xiàn)在普遍使用的是模擬鎖相放大器(又稱為鎖相檢測電路)，這種模擬鎖相檢測方式存在一系列缺點，電路復(fù)雜、工藝要求高以及漂移嚴(yán)重。相比于模擬鎖相放大器，數(shù)字鎖相放大器可以避免模擬電路的種種弊端。王自鑫等提出的發(fā)明專利《一種數(shù)字鎖相放大器》(公開號CN101060311，
公開日2007年10月M 日)采用數(shù)字電路給出參考信號，顯著地提高了電路的抗干擾性能。發(fā)明人在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點和不足該數(shù)字鎖相放大器依然需要模擬乘法器和積分器等電路，其存在現(xiàn)有數(shù)字鎖相的共同缺點計算量大、完成計算的時間長、嚴(yán)重地限制了數(shù)字鎖相檢測的速度和被檢測信號的頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種數(shù)字鎖相放大器和數(shù)字鎖相控制方法，該數(shù)字鎖相放大器和數(shù)字鎖相控制方法解決了計算量大、完成計算的時間長、嚴(yán)重地限制了數(shù)字鎖相檢測的速度和被檢測信號的頻率的問題，詳見下文描述本發(fā)明提供了一種數(shù)字鎖相放大器，所述數(shù)字鎖相放大器包括預(yù)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微處理器，所述微處理器包括Ρχ 口、Py 口和I3Z 口 ；所述預(yù)放大器的信號輸入端接被測模擬信號，所述預(yù)放大器對所述被測模擬信號進行放大并輸入到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大的被測模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)由所述I3X 口輸入到所述微處理器；所述微處理器根據(jù)數(shù)字信號的幅值通過所述Py 口控制所述預(yù)放大器的增益；所述微處理器對所述數(shù)字信號進行處理，檢測出所述數(shù)字信號中的預(yù)設(shè)頻率數(shù)字信號，并將所述預(yù)設(shè)頻率數(shù)字信號經(jīng)由所述I^z 口輸出。所述微處理器采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一種。本發(fā)明提供了一種數(shù)字鎖相控制方法，所述方法包括以下步驟(1)預(yù)放大器的信號輸入端接被測模擬信號，所述預(yù)放大器對所述被測模擬信號進行放大并輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；(2)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收放大的被測模擬信號，將所述放大的被測模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)由& 口輸入到微處理器；(3)所述微處理器根據(jù)數(shù)字信號的幅值通過Py 口控制所述預(yù)放大器的增益；(4)所述微處理器控制所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器以預(yù)設(shè)頻率&的4M倍速度fs = 4MXf0對所述被測模擬信號進行采樣，獲取采樣信號x(m)，其中M為大于等于1的正整數(shù)；
x(m) = x(4/m + ζ), I = 0,1,2,......(5)所述微處理器將采樣頻率fs = 4MXf0下抽樣M倍到4X f。；(6)根據(jù)所述采樣信號x(rn)、所述微處理器產(chǎn)生的正交參考序列ys(k)和y。(k)， 計算所述被測模擬信號的兩個正交分量&和Rc ；
N-Y
J jV-1
Rs=-Yj^m+ \)-x{Am+ >)}.
ij m=0
1 jV_1 m=Q(7)根據(jù)所述正交分量&和&，通過計算獲取所述被測模擬信號的幅值A(chǔ)和相角
優(yōu)點
θ = arctan
A = 2 —
Χ
，β為下抽樣M倍而取的某個常數(shù)值t
Rs
本發(fā)明提供的數(shù)字鎖相放大器和數(shù)字鎖相控制方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的
本發(fā)明最大限度地實現(xiàn)了數(shù)字化鎖相放大器，因而可實現(xiàn)高精度測量，且電路結(jié)構(gòu)簡單、減少了模擬乘法器、積分器等電路器件，電路工藝要求低、調(diào)試容易、可靠性高，全部的鎖相計算不僅用軟件(數(shù)字)實現(xiàn)計算，還僅僅采用極少量的加(減)法，因而計算速度極快，對微處理器的硬件要求極低，計算的時間較短、避免了對數(shù)字鎖相檢測的速度和被檢測信號的頻率限制。


圖1為本發(fā)明提供的數(shù)字鎖相放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的數(shù)字鎖相控制方法的流程圖。附圖中各標(biāo)號所代表的部件列表如下1 預(yù)放大器；2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器；3:微處理器；Px :1/0 口；Py :1/0 口；Pz :1/0 口。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。假設(shè)需要檢測的信號為Xa(t) = Asin(2 π f0t+ θ )，其中A為信號的幅值、f0為信號的頻率、θ為初始相角。按照采樣頻率L = MXftl進行采樣，M彡2。采樣周期數(shù)為N， 總的采樣點數(shù)Q = ΜΧΝ，得到的采樣信號x(k)為x(k) = Asin (2 π k/M+ θ ) k = 0,1,2,......，Q-I(1)數(shù)字鎖相中參考序列由微處理器3根據(jù)M來產(chǎn)生，正交參考序列&(10和y。(k)分別為

采集得到信號χ (k)分別與ys (k)和lc (k)相乘，計算兩個正交分量&和&表達式為
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字鎖相放大器，其特征在于，所述數(shù)字鎖相放大器包括預(yù)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微處理器，所述微處理器包括Ρχ 口、Py 口和Pz 口 ；所述預(yù)放大器的信號輸入端接被測模擬信號，所述預(yù)放大器對所述被測模擬信號進行放大并輸入到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大的被測模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 經(jīng)由所述Px 口輸入到所述微處理器；所述微處理器根據(jù)數(shù)字信號的幅值通過所述Py 口控制所述預(yù)放大器的增益；所述微處理器對所述數(shù)字信號進行處理，檢測出所述數(shù)字信號中的預(yù)設(shè)頻率數(shù)字信號，并將所述預(yù)設(shè)頻率數(shù)字信號經(jīng)由所述Pz 口輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字鎖相放大器，其特征在于，所述微處理器采用MCU、 ARM、DSP或FPGA中的任意一種。
3.一種用于權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字鎖相放大器的數(shù)字鎖相控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)預(yù)放大器的信號輸入端接被測模擬信號，所述預(yù)放大器對所述被測模擬信號進行放大并輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；(2)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收放大的被測模擬信號，將所述放大的被測模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)由Px 口輸入到微處理器；(3)所述微處理器根據(jù)數(shù)字信號的幅值通過Py口控制所述預(yù)放大器的增益；(4)所述微處理器控制所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器以預(yù)設(shè)頻率&的4M倍速度fs= 4MXf0對所述被測模擬信號進行采樣，獲取采樣信號x(m)，其中M為大于等于1的正整數(shù)；
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字鎖相放大器和數(shù)字鎖相控制方法，數(shù)字鎖相放大器包括預(yù)放大器對被測模擬信號進行放大并輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將放大的被測模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)由Px口輸入到微處理器；微處理器根據(jù)數(shù)字信號的幅值通過Py口控制預(yù)放大器的增益；微處理器對數(shù)字信號進行處理，檢測出數(shù)字信號中的預(yù)設(shè)頻率數(shù)字信號，并將預(yù)設(shè)頻率數(shù)字信號經(jīng)由Pz口輸出。控制方法包括微處理器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器以預(yù)設(shè)頻率f0的4M倍速度fs＝4M×f0對被測模擬信號進行采樣，獲取采樣信號，微處理器將采樣頻率fs＝4M×f0下抽樣M倍到4×f0；根據(jù)采樣信號計算被測模擬信號的兩個正交分量RS和RC；通過計算獲取被測模擬信號的幅值A(chǔ)和相角θ。
文檔編號H03F7/00GK102332878SQ20111023639
公開日2012年1月25日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者劉近貞, 周梅, 李剛, 林凌, 郝麗玲 申請人:天津大學(xué)