本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器。

背景技術(shù)：

自從1988年hafeman等人將表面光電壓測量技術(shù)引入電解液/絕緣體/半導(dǎo)體(electrolyte/insulator/semiconductor，簡稱eis)結(jié)構(gòu)，首次提出了光尋址電位傳感器(light-addressablepotentiometricsensor，簡稱laps)的概念。由于laps是利用光束掃描方式尋址，而不是用固定的電極引線或其他復(fù)雜外電路結(jié)構(gòu)進行尋址，因此只需要一根引線就可以對多個點進行測量，且穩(wěn)定性好，檢測時間短；從而滿足化學(xué)傳感器微型化、智能化、多功能化的要求。因此，laps已經(jīng)被廣泛用于測量ph值、氧化還原電位、離子濃度、生物膜電特性的研究、細菌生長的檢測、酶促反應(yīng)及免疫反應(yīng)等。

laps傳感器廣泛應(yīng)用的前提是能夠準(zhǔn)確測量其輸出的微弱光電流信號。目前，實驗室已經(jīng)成功研制出基于eis結(jié)構(gòu)的光尋址電位傳感器，而下一步是設(shè)計一種可用于該傳感器的微弱光電流信號檢測裝置。微弱電流信號的檢測就是利用電子技術(shù)和信號處理技術(shù)，分析被測信號的特性以及噪聲產(chǎn)生的原因，檢測出被噪聲淹沒的微弱信號。

傳統(tǒng)的從噪聲中提取微弱信號的有效方法包括窄帶濾波、同步累積、取樣積分、鎖相放大等。其中最常用的是鎖相放大法。

鎖相放大器是以相干檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，主要包括信號通道1、參考通道2和相敏檢波3等，被測信號和參考信號分別通過信號通道和參考通道后，輸出給相敏檢波模塊；如圖1所示。對于鎖相放大器，申請?zhí)枮?00510011984.4名稱為小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路及方法的發(fā)明專利，應(yīng)用ad630芯片實現(xiàn)的單項式模擬鎖相放大器。此種類型的模擬鎖相放大器存在溫度漂移等問題；申請?zhí)枮?01110236391.3名稱為一種數(shù)字鎖相放大器和數(shù)字鎖相控制方法的發(fā)明專利，為雙相數(shù)字式鎖相放大器，但其需預(yù)知所要采集信號的頻率。如果輸入信號頻率變化，就需要動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的采樣率；申請?zhí)枮?01110029206.3名稱為一種數(shù)字鎖相放大器的發(fā)明專利，采用cordic算法產(chǎn)生對應(yīng)的參考信號，然后通過乘法器進行檢波，且采用iir濾波器進行后級的低通濾波，可能會造成信號的微小振蕩。模擬式鎖相放大器，如果溫度變化會產(chǎn)生漂移。

對于商業(yè)化鎖相放大器，目前國內(nèi)做得比較好的單位是南京大學(xué)，其生產(chǎn)的hb-824型四通道na級電流放大器、hb-834型四通道pa級電流放大器、hb-214型四通道雙相鎖相放大器等系列產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微弱電流檢測領(lǐng)域。而國外微弱電流檢測領(lǐng)域的發(fā)展水平要比國內(nèi)先進的多，美國吉時利(keithley)儀器公司的6430型亞fa遠程源表的電流測量精度為0.4fa。然而這些商業(yè)化產(chǎn)品雖然性能優(yōu)越，但是其體積大、價格昂貴，難以應(yīng)用于便攜式儀器中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器，具體為：

一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器，包括信號通道、參考通道和相敏檢波、被測信號和參考信號分別通過信號通道和參考通道后，輸出給相敏檢波模塊；還包括低通濾波模塊，相敏檢波模塊輸出給低通濾波模塊；信號通道包括i/v轉(zhuǎn)換電路、三級放大電路、交流耦合；i/v轉(zhuǎn)換電路、三級放大電路和交流耦合順次相連。

交流耦合主要用來抑制直流誤差，濾除放大器產(chǎn)生的直流偏置。多級放大電路是為了在保證信號帶寬的情況下對電壓信號進行高增益的放大，同時引入較少的噪聲保證系統(tǒng)的靈敏度。

為了對信號更好的進行隔離緩沖，減小噪聲干擾：

優(yōu)選的，在i/v轉(zhuǎn)換電路和三級放大電路之間設(shè)置有電壓跟隨器。

進一步優(yōu)選的，電壓跟隨器為高阻抗電壓跟隨器。

在本電路中，由于電壓跟隨器輸入阻抗高，它可以隔離i/v轉(zhuǎn)換輸出的電流對后面放大電路的影響。輸入阻抗一般為1k歐姆到100k歐姆。

優(yōu)選的，多級放大電路是兩級放大電路、三級放大電路或者是更多級的放大電路。

進一步優(yōu)選的，三級放大電路包括第一級放大模塊、第二級放大模塊、第三級放大模塊；第一級放大模塊、第二級放大模塊和第三級放大模塊依次連接。

為了濾除高頻噪聲，改善信噪比：

更進一步優(yōu)選的，在第一級放大模塊和第二級放大模塊之間設(shè)置有低通濾波器。

更進一步優(yōu)選的，第一級放大模塊為低噪聲、低偏置電流的高性能放大器。

這樣的目的是可以減小引入的噪聲，以提高系統(tǒng)靈敏度。

更進一步優(yōu)選的，第二級放大模塊和第三級放大模塊的結(jié)構(gòu)一樣，包括第一運算放大器、第二運算放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻；第二級放大模塊的輸入vin1接第一電阻的一端和第二運算放大器的反向輸入端；第一電阻的另一端接第一運算放大器的反相輸入端和第二電阻的一端；第二電阻的另一端接第一運算放大器的輸出和第二運算放大器的正向輸入端；第一運算放大器的正相輸入端接第三電阻的一端和第四電阻的一端；第三電阻的另一端接地；第四電阻的另一端接第二級放大模塊的輸出vout1。

這里采用雙運放的特殊電路結(jié)構(gòu)在增益不變的前提下來提高帶寬。

優(yōu)選的，i/v轉(zhuǎn)換電路模塊包括電流電壓轉(zhuǎn)化單元和電壓跟隨單元兩部分；輸入信號iin依次連接電流電壓轉(zhuǎn)化單元和電壓跟隨單元。

進一步優(yōu)選的，電流電壓轉(zhuǎn)化單元包括第三運算放大器和反饋電阻；輸入信號接第三運算放大器的反相輸入端和反饋電阻的一端；第三運算放大器的正相輸入端接地；第三運算放大器的輸出接反饋電阻；第三運算放大器的輸出為電流電壓轉(zhuǎn)化單元的輸出。

進一步優(yōu)選的，電壓跟隨單元包括第四運算放大器，第四運算放大器的正相輸入端為電壓跟隨單元的輸入端；第四運算放大器的輸出接第四運算放大器的反相輸入端；第四運算放大器的輸出作為i/v轉(zhuǎn)換電路的輸出端。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

實現(xiàn)了對微弱光電流信號的檢測，本發(fā)明可檢測的輸入電流范圍大，頻率響應(yīng)范圍寬，線性度好、成本低、電路結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的使用價值。

附圖說明

圖1現(xiàn)有的鎖相放大器示意圖。

圖2本發(fā)明一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器示意圖。

圖3本發(fā)明一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器的信號通道示意圖。

圖4本發(fā)明一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器的三級放大模塊示意圖。

圖5本發(fā)明一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器的第二級放大模塊示意圖。

圖6本發(fā)明一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器的i/v轉(zhuǎn)換電路示意圖。

圖7本發(fā)明的輸出電壓與待測電流之間的關(guān)系圖。

圖8本發(fā)明的信號通道增益為1e6時系統(tǒng)波特圖。

圖9本發(fā)明的強噪聲下輸出電壓與待測電流的關(guān)系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細、完整地說明。

鎖相放大器是利用互相關(guān)原理設(shè)計的一種同步相關(guān)檢測儀，利用參考信號與被測信號的互相關(guān)特性，從被測信號中提取出與參考信號同頻率同相位的信號。鎖相放大器可以分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器，根據(jù)鎖相放大器中相敏檢波器的個數(shù)還可以分為單相鎖相放大器和雙相鎖相放大器。模擬鎖相放大器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。另外，考慮到降低成本，在本發(fā)明中采用了模擬單相鎖相放大器，如圖2本發(fā)明一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器示意圖所示，除了信號通道1、參考通道2和相敏檢波3之外，本發(fā)明增加了低通濾波4模塊，目的是：用于濾除相敏檢波3輸出信號中含有的高頻分量，只輸出直流電壓信號。

信號通道1把輸入的被測信號初步處理后，輸給相敏檢波3的一端。參考通道2在參考信號的觸發(fā)下，輸出相位可調(diào)的、與輸入信號同頻的占空比1∶1的方波。相敏檢波3實現(xiàn)兩路信號相乘后經(jīng)低通濾波器輸出直流信號，其幅度與兩路輸入信號幅度以及它們的相位差成比例。理論計算如下：

設(shè)輸入信號為：

x(t)＝vicos(ω0t+θ)(1)

式中vi、ω0分別表示被測信號的幅度和角頻率，θ為被測信號和參考信號之間的相位差。設(shè)參考輸入信號r(t)是幅度為±vr的方波，其周期為t，角頻率為ω0＝2π/t。

根據(jù)傅里葉變換的方法，該參考信號展開如下：

式(2)中，m為諧波次數(shù)，是正整數(shù)。a0為其直流分量，am、bm分別為其余弦分量和正弦分量的傅里葉系數(shù)。各系數(shù)計算公式如下：

式(3)至(5)只是在區(qū)間-t/2～t/2上進行積分，實際在任意一個周期t內(nèi)積分的結(jié)果相同。由圖3可知，直流分量a0＝0，而且正弦分量傅里葉系數(shù)bm＝0，余弦分量am計算如下：

由式(6)可知，當(dāng)m為偶數(shù)時，sin(mπ/2)＝0；當(dāng)m為奇數(shù)時，sin(mπ/2)＝±1。令m＝2n-1，n為正整數(shù)，則：

聯(lián)合式(1)和式(8)可得：

式(9)中，第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過低通濾波器處理后，n大于1的差頻項和所有的和頻項均被濾除，只剩n＝1的差頻項。因此,

從式(10)可知，輸出電壓u0(t)與參考信號和輸入信號的幅值以及兩個信號之間的相位差有關(guān)。在已知參考信號幅值，兩信號的相位差和輸入信號幅值的情況下，可以準(zhǔn)確的計算出待測信號的幅度vs。當(dāng)θ＝0時，即待測信號與被測信號之間不存在相位差，則可以得到最大的輸出電壓。當(dāng)參考信號幅值為1時，更易于計算出待測電壓，有利于提高測量準(zhǔn)確度。

同時，本發(fā)明對信號通道1進行了優(yōu)化和改進，如圖3本發(fā)明一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器的信號通道示意圖。依信號的輸入順序本發(fā)明的信號通道1包括i/v轉(zhuǎn)換電路21、電壓跟隨器22、三級放大電路23、交流耦合24。需要說明的是電壓跟隨器22并不是必須的，但是為了對信號更好的進行隔離緩沖，減小噪聲干擾可以增加電壓跟隨器22。laps傳感器的微弱光電流信號通過i/v轉(zhuǎn)換電路21將其轉(zhuǎn)換成電壓信號進行檢測。轉(zhuǎn)換后的電壓信號再通過三級放大電路進行放大處理。該系統(tǒng)中，需要對電壓信號放大到后續(xù)電路能進行處理的程度，但同時也放大了系統(tǒng)噪聲和直流誤差。而交流耦合24主要用來抑制直流誤差，濾除放大器產(chǎn)生的直流偏置。多級放大電路23是為了在保證信號帶寬的情況下對電壓信號進行高增益的放大，同時引入較少的噪聲保證系統(tǒng)的靈敏度。這里的多級放大電路23可以是兩級放大電路、三級放大電路或者是更多級的放大電路。本發(fā)明優(yōu)選的采用三級放大電路。

如圖4本發(fā)明一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器的三級放大模塊示意圖。依信號的輸入順序本發(fā)明的三級放大電路包括第一級放大模塊231、低通濾波器232、第二級放大模塊233、第三級放大模塊234。需要說明的是低通濾波器232并不是必須的，這里增加低通濾波器232的好處是濾除高頻噪聲，改善信噪比。第一級放大模塊231采用低噪聲、低偏置電流的高性能放大器；這樣可以減小引入的噪聲，以提高系統(tǒng)靈敏度。第一級放大模塊231采用通用的電路結(jié)構(gòu)，在這里就不在詳細介紹了。

第二級放大模塊233和第三級放大模塊234主要實現(xiàn)高增益的目的。為了保證該系統(tǒng)的帶寬要求，因而采用高帶寬的集成運放；另外，設(shè)計特殊的電路結(jié)構(gòu)以提高系統(tǒng)帶寬。第二級放大模塊233和第三級放大模塊234的增益設(shè)置最高為100倍，由于集成運算放大器的增益帶寬積為定值，當(dāng)增益較大時，勢必會造成系統(tǒng)帶寬較窄。因此，這兩級放大器設(shè)計時需要考慮系統(tǒng)帶寬要求。在本電路中，除了通過選用寬帶放大器作為運放芯片，還通過采用雙運放的特殊電路結(jié)構(gòu)在增益不變的前提下來提高帶寬。第二級放大模塊233和第三級放大模塊234采用相同的電路結(jié)構(gòu)。

如圖5本發(fā)明一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器的第二級放大模塊示意圖。包括第一運算放大器2331、第二運算放大器2332、第一電阻2333、第二電阻2334、第三電阻2335和第四電阻2336；第二級放大模塊的輸入vin1接第一電阻2333的一端和第二運算放大器2332的反向輸入端；第一電阻2333的另一端接第一運算放大器2331的反相輸入端和第二電阻2334的一端；第二電阻2334的另一端接第一運算放大器2331的輸出和第二運算放大器2332的正向輸入端；第一運算放大器2331的正相輸入端接第三電阻2335的一端和第四電阻2336的一端；第三電阻2335的另一端接地；第四電阻2336的另一端接第二級放大模塊的輸出vout1。這里采用雙運放的特殊電路結(jié)構(gòu)在增益不變的前提下來提高帶寬。

如圖6本發(fā)明一種檢測微弱光電流信號的鎖相放大器的i/v轉(zhuǎn)換電路示意圖。輸入信號iin(即被測電流)自微電流信號源；i/v轉(zhuǎn)換電路模塊包括電流電壓轉(zhuǎn)化單元21a和電壓跟隨單元21b兩部分。輸入信號iin依次連接電流電壓轉(zhuǎn)化單元21a和電壓跟隨單元21b。

具體的，電流電壓轉(zhuǎn)化單元21a包括第三運算放大器211和反饋電阻213；輸入信號iin接第三運算放大器211的反相輸入端和反饋電阻213的一端；第三運算放大器211的正相輸入端接地；第三運算放大器211的輸出接反饋電阻213；第三運算放大器211的輸出為電流電壓轉(zhuǎn)化單元21a的輸出。

電壓跟隨單元21b包括第四運算放大器212，第四運算放大器212的正相輸入端為電壓跟隨單元21b的輸入端；第四運算放大器212的輸出接第四運算放大器212的反相輸入端；第四運算放大器212的輸出作為i/v轉(zhuǎn)換電路的輸出端vout2。

被測電流iin來自微電流信號源，對于輸入阻抗和放大倍數(shù)均為無窮大的理想運算放大器，可以認為運算放大器輸入端的偏置電流ib對被測電流iin的分流近似等于零，這樣流過反饋電阻213的電流if近似等于被測電流iin。再考慮到極性關(guān)系，第三運算放大器211的輸出電壓vo＝-iinr213。說明這里的r213是反饋電阻213的阻值。由此可以看出，即使被測電流很小，只要反饋電阻213取值足夠大，仍可得到較大的可觀測的輸出電壓。

為了提高微弱電流測量的靈敏度，首先考慮到的是增大反饋電阻。另外，影響微弱電流測量靈敏度的主要因素是運算放大器的偏置電流，偏置電流越小靈敏度越高，其次是噪聲水平和漂移。實現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換的運算放大器應(yīng)該滿足以下條件：高輸入阻抗(inputimpedance)、高共模抑制比(common-moderejectionratio)、低偏置電流(biascurrent)、低噪聲(noisedensity)、低失調(diào)電壓(offsetvoltage)，低漂移(offsetvoltagedrift)。因此這里的第三運算放大器211和第四運算放大器212采用了ad8652ar芯片。

根據(jù)本發(fā)明的前述介紹，對其進行性能測試可以得到圖7-圖9。其中由圖7本發(fā)明的輸出電壓與待測電流之間的關(guān)系圖可以看出本發(fā)明的靈敏度高，靈敏度相對誤差絕對值最大為3.38％。

由圖8本發(fā)明的信號通道增益為1e6時系統(tǒng)波特圖可以分析可知，當(dāng)信號通道增益設(shè)置為1e6時，-3db截止頻率約為1.2mhz，帶寬為1khz～1.2mhz。改變信號通道增益為1e5、1e4時，按照上述實驗步驟由于系統(tǒng)中低通濾波器的作用，-3db截止頻率都限制在1.2mhz左右。由此可知本發(fā)明的帶寬的范圍大。

由圖9本發(fā)明的強噪聲下輸出電壓與待測電流的關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)：待測信號幅值從0～2v增加，即待測電流幅值從0～200μa增加，系統(tǒng)仍具有較好的線性度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：

實現(xiàn)了對微弱光電流信號的檢測，本發(fā)明可檢測的輸入電流范圍寬，頻率響應(yīng)范圍大，線性度好、成本低、電路結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的使用價值。