專利名稱：數(shù)字鎖相放大實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種實(shí)驗(yàn)裝置，特別是一種數(shù)字鎖相放大實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
鎖相放大器是一種高性能的通用測量儀器，它能精確地測量被掩埋在噪聲中的微弱信號(hào)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在電子學(xué)、信息科學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、低溫物理、聲學(xué)、 生物學(xué)等許多領(lǐng)域，越來越需要測量深埋在噪聲中的微弱信號(hào)。鎖相技術(shù)測量微弱信號(hào)的基本思想主要有兩點(diǎn)。第一點(diǎn)是利用參考信號(hào)對(duì)慢變或者直流信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻率遷移；第二點(diǎn)是根據(jù)待測信號(hào)與噪聲互不相關(guān)的性質(zhì)，利用信號(hào)相關(guān)和低通濾波把待測微弱信號(hào)提取出來，測量出信號(hào)的幅值和相位信息。利用上述基本思想的鎖相放大器以模擬的方法實(shí)現(xiàn)的較多。由于其模擬部分有直流放大器等的模擬器件存在，所以模擬鎖相放大器的工作特性隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定性和溫度變化而引起的溫漂帶來的干擾，會(huì)相應(yīng)影響鎖相放大器的部分指標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種數(shù)字鎖相放大實(shí)驗(yàn)裝置，將模擬鎖相放大器的一些模擬模塊改進(jìn)為數(shù)字模塊，以利于克服模擬鎖相放大器技術(shù)結(jié)構(gòu)的弊病，實(shí)現(xiàn)測量低信噪比微弱信號(hào)的功能。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供一種數(shù)字鎖相放大實(shí)驗(yàn)裝置， 其中該實(shí)驗(yàn)裝置包括有電源模塊、數(shù)字模塊、發(fā)生器模塊、模擬模塊和前面板模塊；電源模塊依次連接數(shù)字模塊、模擬模塊、前面板模塊和發(fā)生器模塊，數(shù)字模塊分別與模擬模塊、 前面板模塊、發(fā)生器模塊相連接；通過前面板模塊控制的鍵盤，將發(fā)生器模塊的控制信號(hào)和配置信號(hào)輸入傳入到數(shù)字模塊中，經(jīng)過數(shù)字模塊上的FPGA的處理，控制發(fā)生器模塊產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波，將控制模擬模塊的信號(hào)前級(jí)；外部需要測量的微弱信號(hào)，通過前面板模塊的BNC接口進(jìn)入模擬模塊的前級(jí)整形的處理，進(jìn)入數(shù)字模塊，經(jīng)過模擬模塊的FPGA的運(yùn)算模擬處理，將相應(yīng)的最終模擬信號(hào)傳入到前面板模塊的顯示屏引腳上，并顯示到前面板的液晶屏幕上。本實(shí)用新型的效果是(1)由于數(shù)字鎖相放大器在輸出通道中沒有直流放大器，可以避免直流放大器的工作特性隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定性和由于溫度變化引起的溫度漂移帶來的干擾，這是模擬鎖相放大器不可解決的問題之一；(2)數(shù)字鎖相放大器的內(nèi)部晶振時(shí)鐘源隨時(shí)間和溫度變化小，用這種穩(wěn)定性高的時(shí)鐘源來做調(diào)制信號(hào)和參考信號(hào)能降低參考信號(hào)的不穩(wěn)定所帶來的誤差，同時(shí)在內(nèi)部參考模式中，數(shù)字信號(hào)處理單元能在最短時(shí)間甚至能不需要延時(shí)就能完成鎖相功能，尤其在頻率掃描測量中有其明顯的優(yōu)點(diǎn)；[0012](3)如果被測信號(hào)有較強(qiáng)的正交性，采用數(shù)字鎖相放大器的高性能的正交解調(diào)技術(shù)，使微弱信號(hào)檢測精度能得到很大程度上的提高；(4)隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理單元的性價(jià)比提高，使數(shù)字鎖相放大器的性價(jià)比也得到相應(yīng)的提高，數(shù)字鎖相技術(shù)將會(huì)更深入地影響未來的測量技術(shù)。

圖1是本實(shí)用新型的數(shù)字鎖相放大器的五大基礎(chǔ)模塊連接框圖；圖2是本實(shí)用新型的數(shù)字鎖相放大器的數(shù)字核心計(jì)算基本原理框圖；圖3是本實(shí)用新型的數(shù)字鎖相放大器的功能示意圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的數(shù)字鎖相放大實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)加以說明。本實(shí)用新型的數(shù)字鎖相放大實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置包括有電源模塊，數(shù)字模塊、發(fā)生器模塊、模擬模塊和前面板模塊；電源模塊依次連接數(shù)字模塊、模擬模塊、前面板模塊和發(fā)生器模塊，數(shù)字模塊分別與模擬模塊、前面板模塊、發(fā)生器模塊相連接。通過前面板模塊控制的鍵盤，將發(fā)生器模塊的控制信號(hào)和配置信號(hào)輸入傳入到數(shù)字模塊中，經(jīng)過數(shù)字模塊上的FPGA的處理，控制發(fā)生器模塊產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波，將控制模擬模塊的信號(hào)前級(jí)。外部需要測量的微弱信號(hào)，通過前面板模塊的BNC接口進(jìn)入模擬模塊的前級(jí)整形的處理，進(jìn)入數(shù)字模塊，經(jīng)過模擬模塊的FPGA的運(yùn)算模擬處理，將相應(yīng)的最終模擬信號(hào)傳入到前面板模塊的顯示屏引腳上，并顯示到前面板的液晶屏幕上。所述電源模塊中包括有用來產(chǎn)生+5V電壓的LM317穩(wěn)壓器和作為反饋來產(chǎn)生比較穩(wěn)定的士 15V電壓的TL082C芯片；所述數(shù)字模塊主要由XC28200芯片構(gòu)成；所述發(fā)生器模塊主要由DDS芯片AD9850構(gòu)成；所述模擬模塊主要由OMRON的繼電器和UAF42AU芯片構(gòu)成；前面板模塊主要由液晶顯示屏CM320240-3E構(gòu)成。信號(hào)可由DDS發(fā)生器產(chǎn)生帶有白噪聲的正弦波以及同步TTL信號(hào)，進(jìn)入模擬模塊， 經(jīng)過一系列整形和變換，最后進(jìn)入到核心控制計(jì)算板——數(shù)字模塊，經(jīng)過數(shù)字模塊上的高度集成可編程芯片的運(yùn)算完成乘法器，積分器，參考通道，也就是同步TTL信號(hào)，程控移相和90度移相，PSD和INT的運(yùn)算，最終得出相應(yīng)所要求得的值。與此同時(shí)，INT輸出后，兩路數(shù)字輸出經(jīng)過可編程芯片器件的運(yùn)算，得到Xval和 Yval的值，并通過Xval和Yval的值，計(jì)算出Rval和DEGval的值。由于此數(shù)字鎖相放大器只需觀察積分一路X的變化，所以積分器只經(jīng)過一路DA變換后，輸出X路的有效值，并可通過示波器測量，理論上與此時(shí)的LCD的Xval顯示值應(yīng)該相等。以上的變化都是數(shù)字運(yùn)算的過程，它比普通的模擬鎖相放大器中的模擬乘法器抗干擾性更強(qiáng)，特別是對(duì)于頻率相對(duì)應(yīng)快的信號(hào)輸入來說，更具低失真的優(yōu)勢。使用數(shù)字窄帶濾波器，有效地降低二次以及多次諧波的干擾，使鎖相可靠性大為提高。數(shù)字模塊連接的LCD能夠顯示積分器后XY兩通道的有效值以及輸入正弦波的有效值 Rval。本實(shí)用新型的數(shù)字鎖相放大實(shí)驗(yàn)裝置主要分為五大模塊[0026]電源模塊部分；數(shù)字模塊部分為核心算法部分；發(fā)生器模塊部分；模擬模塊部分； 前面板模塊部分，如圖1所示。下面逐一講解這五大部分的基本原理和作用。1.電源模塊部分這一部分主要提供其他模塊的模擬數(shù)字器件的電源電壓，通過多片穩(wěn)壓芯片 LM317輸出士 5V和士 15V電壓，同時(shí)還使用了 TL082C芯片作為反饋電路用來保證士 15V電壓的穩(wěn)定性。從而保證并提供發(fā)生器模塊、數(shù)字模塊、模擬模塊和前面板模塊中的所有芯片正常工作的電源電壓。2.數(shù)字模塊部分這是數(shù)字鎖相放大器的最核心部分，主要是通過)(以8200芯片的控制來完成PSD 和INT兩大部分的計(jì)算。如圖2所示的數(shù)字鎖相放大器基本原理框圖，假定輸入信號(hào)f (t)為如下形式
/(t) = s(t) + n(t) = A η(ω + φ) + n(t)______ q ^其中s(t)為我們感興趣的有用信號(hào)，它是角頻率為《、相位角0、幅值々，n(t)為疊加于其上的噪聲信號(hào)，一般情況下該噪聲是一與有用信號(hào)在頻率上不具有相關(guān)性的白噪聲信號(hào)。參考信號(hào)r(t)與s(t)同頻，經(jīng)參考信號(hào)通道處理而在數(shù)字部分取得其頻率和相位信息，并由參考信號(hào)發(fā)生器同時(shí)產(chǎn)生互余的兩路參考信號(hào)和S' r(t)。此兩路參考信號(hào)分別與輸入信號(hào)相乘(PSD)再經(jīng)由低通濾波器，此處用積分平均，從濾波器理論看其為低通濾波器的一種處理而得到中間結(jié)果&和S1，如式O)、(3)
Sr (t) = sin(cot)
=Cos(Cot)------(2)
1 nT
^O =Iim^T \ f (t)^m(mt)dt
1 nTnT
lim{——[[A η{ω + φ) η{ω ) + ^n{t) η{ω ) \]
ηΤι
W—CO
1 ηΤ A
IimU——[[_[cosφ-οο%{2ω + φ)] + ^n{t) η{ω ) \]}
"nT I 2
-^Αοο^φ
1 ηΤ
S1 = Iim^r f f(t)oos(0t)dt
O
1 ηΤηΤ
Iimi^T[ [ A η{ω + φ)οο%{ω ) + | n(t)cos(0t)dt]}
ο
權(quán)利要求1.一種數(shù)字鎖相放大實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是該實(shí)驗(yàn)裝置包括有電源模塊、數(shù)字模塊、發(fā)生器模塊、模擬模塊和前面板模塊；電源模塊依次連接數(shù)字模塊、模擬模塊、前面板模塊和發(fā)生器模塊，數(shù)字模塊分別與模擬模塊、前面板模塊、發(fā)生器模塊相連接；通過前面板模塊控制的鍵盤，將發(fā)生器模塊的控制信號(hào)和配置信號(hào)輸入傳入到數(shù)字模塊中，經(jīng)過數(shù)字模塊上的FPGA的處理，控制發(fā)生器模塊產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波，將控制模擬模塊的信號(hào)前級(jí)；外部需要測量的微弱信號(hào)，通過前面板模塊的BNC接口進(jìn)入模擬模塊的前級(jí)整形的處理，進(jìn)入數(shù)字模塊，經(jīng)過模擬模塊的FPGA的運(yùn)算模擬處理，將相應(yīng)的最終模擬信號(hào)傳入到前面板模塊的顯示屏引腳上，并顯示到前面板的液晶屏幕上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字鎖相放大實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是所述電源模塊中包括有用來產(chǎn)生+5V電壓的LM317穩(wěn)壓器和作為反饋來產(chǎn)生比較穩(wěn)定的士 15V電壓的TL082C芯片；所述數(shù)字模塊包括有XC28200芯片；所述發(fā)生器模塊包括有DDS芯片AD9850 ；所述模擬模塊包括有繼電器和UAF42AU芯片；前面板模塊包括有液晶顯示屏CM320240-3E。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種數(shù)字鎖相放大實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置包括有電源模塊、數(shù)字模塊、發(fā)生器模塊、模擬模塊和前面板模塊；電源模塊依次連接數(shù)字模塊、模擬模塊、前面板模塊和發(fā)生器模塊，數(shù)字模塊分別與模擬模塊、前面板模塊、發(fā)生器模塊相連接。本實(shí)用新型的效果是該數(shù)字鎖相放大器可以避免以往的直流放大器的工作特性隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定性和由于溫度變化引起的溫度漂移帶來的干擾；降低參考信號(hào)的不穩(wěn)定所帶來的誤差，數(shù)字信號(hào)處理單元能在最短時(shí)間甚至能不需要延時(shí)就能完成鎖相功能，尤其在頻率掃描測量中有其明顯的優(yōu)點(diǎn)；采用數(shù)字鎖相放大器的高性能的正交解調(diào)技術(shù)，使微弱信號(hào)檢測精度能得到很大程度上的提高，數(shù)字鎖相放大器的性價(jià)比明顯得到提升，擴(kuò)大在測量技術(shù)中的影響。
文檔編號(hào)H03F7/00GK202004731SQ201120149580
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者徐學(xué)剛, 杜振貢, 霍原 申請(qǐng)人:天津港東科技發(fā)展股份有限公司