專利名稱:一種高靈敏度選頻放大器的制作方法
本發(fā)明是與弱信號的放大、檢測儀表有關(guān)。
在現(xiàn)代科技中存在著大量的淹沒在噪聲背景中的弱信號需要放大顯示與檢測。現(xiàn)在國內(nèi)外的選頻放大器由于靈敏度不夠，抗干擾能力不強，無法精確地放大顯示與檢測信號。用現(xiàn)有的微弱信號檢測儀器-鎖定放大器，它必須要有與信號同步的外界參考信號，在許多場合下由于無法取出參考信號而無法采用。并且鎖定放大器不能得到被測信號波形。
本發(fā)明是提供一種提高選頻放大器靈敏度和抗干擾能力的一種裝置，能對淹沒在噪聲背景中的弱信號進行檢測或放大供顯示波形。
本發(fā)明的核心思想是由普通的選頻放大器預(yù)選待測弱信號，濾去遠離待測信號頻率的噪聲與干擾，便于采用鎖相環(huán)從噪聲背景中捕捉和鎖住待測信號頻率，并由鎖相環(huán)得到N次倍頻信號與4次倍頻信號。用N次倍頻信號作為多點信號平均器(取N個點)的同步觸發(fā)信號。由于多點信號平均器的觸發(fā)信號嚴(yán)格是待測信號的N次諧波，則N個積累器的每個取樣積累器都被分別嚴(yán)格固定在被測信號一個周期的某一固定位置，雖從選頻放大器輸出的信號還混有噪聲，經(jīng)多點信號平均器進行長期積累、信號得到了恢復(fù)、抑制了噪聲。輸給顯示裝置就能顯示被測信號的波形。另一路與待測信號嚴(yán)格成4倍頻的鎖相環(huán)輸出信號，可由方波形成電路得到與待測信號同步的相位合適的占空比為1∶1的方波，作為相敏檢波器的開關(guān)驅(qū)動信號。多點信號平均器的輸出信號可由相敏檢波器和低通濾波器進行相關(guān)檢測。輸出的直流電壓正比于待測信號的均方根值。當(dāng)只要求檢測信號的有效值時，可以不必采用多點信號平均器，由帶通濾波器與相關(guān)器連接輸出;當(dāng)只要求復(fù)現(xiàn)被測信號波形時，也可以不必采用相關(guān)器，由多點信號平均器直接輸出顯示。
本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)它能較現(xiàn)有選頻放大器的檢測靈敏度高一個數(shù)量級，能檢測淹沒在噪聲背景中所選頻率的弱信號。
(2)它比鎖定放大器優(yōu)越，不需要外加與被測信號同步的參考信號，使用范圍更廣，更方便。
(3)它能放大復(fù)現(xiàn)淹沒在噪聲背景中的所選頻率的待測信號波形。
(4)采用本裝置的方法能簡單方便地實現(xiàn)超高靈敏度選頻放大器的設(shè)計。這種超高靈敏度選頻放大器具有現(xiàn)有選頻放大器和鎖定放大器的優(yōu)點，克服了它們各自的缺點，解決或簡化了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中對弱信號的檢測與放大。

附圖是一種高靈敏度選頻放大器的框圖。
〔1〕是輸入變壓器。
〔2〕是低噪聲前置放大器。
〔3〕是帶通濾波器。
〔4〕是鎖相環(huán)。
〔5〕是多點信號平均器。
〔6〕是相關(guān)器。

具體實施方式 本發(fā)明的實施方框圖如附圖所示。
淹沒在噪聲背景中的弱信號由輸入端輸入。當(dāng)被測信號的源內(nèi)阻是低阻抗時，信號作為最佳源內(nèi)阻匹配用的輸入變壓器〔1〕輸入，變壓比根據(jù)最佳源內(nèi)阻的條件設(shè)計，信號源內(nèi)阻較高，信號直接由低噪聲前置放大器〔2〕輸入，該放大器的放大倍數(shù)根據(jù)需要設(shè)計，低噪聲前置放大器的最重要指標(biāo)是低噪聲特性，設(shè)計時首先要考慮噪聲特性。前置放大器之后接帶通濾波器〔3〕，目的是濾去通帶外的噪聲或干擾。帶通濾波器最好采用增益、Q值、中心頻率單獨可調(diào)的多功能濾波器。根據(jù)需要能方便地選擇通帶頻率，增益和Q值。
帶通濾波器的輸出分成兩路，一路給鎖相環(huán)〔4〕，它可由自動幅度控制電路，鎖相環(huán)電路，分頻電路組成，使鎖相環(huán)的固有振蕩頻率與帶通濾波器的中心頻率同步調(diào)節(jié)，根據(jù)待測信號頻率進行選頻，目的是使鎖相環(huán)極易捕捉和鎖住待測信號頻率，這時鎖相環(huán)具有最強的從噪聲中鎖住信號的能力，同時鎖相環(huán)完成待測信號的N次倍頻和4次倍頻輸出。
要提取淹沒在噪聲背景中的信號，并恢復(fù)波形，完成極高Q值選頻特性的關(guān)鍵部件之一是多點信號平均器〔5〕，它可由一個時序控制電路和N個取樣平均器(或積累)組成。工作原理是對被測信號在一個周期內(nèi)取N個樣點，用信號的N次倍頻信號觸發(fā)時序控制電路，用時序電路控制N個取樣平均器，使N個取樣值分別對應(yīng)存放在N個取樣平均器中，每一個周期重復(fù)一次，并把每一次取樣值與對應(yīng)的平均器中原存貯的值相加取平均。由于各對應(yīng)樣點是在信號波形每一個周期的對應(yīng)固定位置上，通過多次取樣平均后，則各取樣平均器上的電壓值代表對應(yīng)點上的信號電壓，而噪聲在各點上是隨機的，多次取樣平均為0。按照時間次序輸出各平均器上的信號電平，就完成了抑制噪聲、放大復(fù)現(xiàn)信號波形的目的。由附圖的交流輸出端輸出給顯示裝置顯示，就得到待測信號的波形。
多點信號平均器的取樣點數(shù)N的選取;由要求復(fù)現(xiàn)波形的精細和成本綜合考慮，N越大復(fù)現(xiàn)的波形越精細，成本也越高。多點信號平均器可以由下列兩類電路實現(xiàn);一類是采用微機控制的對信號進行N個樣點的取樣，對n個周期平均。稱數(shù)字積累。信噪比的提高正比于n。另一類是用模擬電路RC進行積累，信噪比的提高正比于 1/(NRC) 。
求待測信號的均方根值由相關(guān)器〔6〕來完成。相關(guān)器可由相敏檢波器，低通濾波器、直流放大器、方波形成電路組成。鎖相環(huán)輸出的4倍頻信號經(jīng)方波形成電路變成與待測信號同步，相位適當(dāng)?shù)恼伎毡葹?∶1的方波。作為相敏檢波器的開關(guān)觸發(fā)信號。多點信號平均器的輸出信號經(jīng)相敏檢波器，低通濾波器，直流放大器。輸出的直流信號正比于待測信號的均方根值。低通濾波器的時間常數(shù)放決相關(guān)器的等效噪聲帶寬，根據(jù)需要選擇。
用本發(fā)明實現(xiàn)的高靈敏度選頻放大器，它的靈敏度較目前的選頻放大器高一個數(shù)量級以上。在低阻輸入(采用變壓器輸入)，儀器的滿刻度靈敏度可達10毫微伏以上，由前置放大器直接輸入滿刻度靈敏度達100毫微伏以上。
權(quán)利要求
1、由輸入變壓器[1]，低噪聲前置放大器[2]，帶通濾波器[3]組成的選頻放大器，本發(fā)明的特征是還有鎖相環(huán)[4]，多點信號平均器[5]，相關(guān)器[6]，在輸入變壓器，低噪聲前置放大器，帶通濾波器組成的選頻放大器之后用鎖相環(huán)從帶通濾波器輸出的混有噪聲的信號中捕捉和鎖住待測信號頻率，并獲得待測信號頻率的N次倍頻信號和4次倍頻信號，將其分別作為多點信號平均器和相關(guān)器的觸發(fā)信號，用多點信號平均器對帶通濾波器的輸出信號進行取樣平均(或積累)，完成抑制噪聲恢復(fù)待測信號波形，用相關(guān)器對多點信號平均器輸出的信號進行相關(guān)檢測，獲得待測信號的均方根值輸出。
2、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的選頻放大器其特征是所說的鎖相環(huán)由鎖相環(huán)電路和分頻電路組成。
3、根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的選頻放大器其特征是在只要求檢測信號的有效值時，可不必采用多點信號平均器，由帶通濾波器與相關(guān)器連接。
4、根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的選頻放大器其特征是在只要復(fù)現(xiàn)被測信號波形時，可以不必采用相關(guān)器由多點信號平均器直接輸出顯示。
5、根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的選頻放大器其特征是所說的相關(guān)器由一個方波形成電路，開關(guān)式相敏檢波器，低通濾波器，直流放大器組成。
6、根據(jù)權(quán)利3所述的選頻放大器，其特征是所說的相關(guān)器由一個方波形成成路，開關(guān)式相敏檢測器，低通濾波器，直流放大器組成。
7、根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的選頻放大器，其特征是所說的多點信號平均器由一個時序控制電路和由時序控制電路控制的N個取樣平均器組成。
8、根據(jù)權(quán)利要求
4所述的選頻放大器，其特征是所說的多點信號平均器由一個時序控制控制電路和由時序控制電路控制的N個取樣平均器組成。
專利摘要
本發(fā)明是與弱信號的放大、檢測儀表有關(guān)。它組合使用了選頻、鎖相、同步積累、相干檢測技術(shù)。能對淹沒在噪聲背景中的弱信號進行檢測或放大顯示波形。較目前選頻放大器的靈敏度高一個數(shù)量級以上。適用于科研、教學(xué)、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中弱信號的檢測與放大。
文檔編號H03G3/00GK85102654SQ85102654
公開日1986年9月24日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者唐洪賓 申請人:南京大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan