锁相放大器.pdf

本发明提供一种锁相放大器，所述锁相放大器包括：信号调理单元、相位解调单元、模数采样单元，其中，信号调理单元对输入的待测信号进行反相、滤波和分压；相位解调单元用以对所述信号调理单元和参考信号移相单元的输出信号进行相乘；模数采样单元用以将相位解调单元输出的信号进行模数转化得出数字信号以及反馈给参考信号移相单元，所述锁相放大器还包括参考信号移相单元，所述参考信号移相单元用以根据模数采样单元反馈的数字信号对输入的参考信号的相位进行调整。与现有锁相放大器相比，本发明提供的锁相放大器通过设置有参考信号移相单元，以不同相位的时钟同时对输入的参考信号计数，成倍地提高了相位分辨率。

1.  一种锁相放大器，所述锁相放大器包括：信号调理单元、相位解调单元、模数采样单元，其特征在于：所述锁相放大器还包括参考信号移相单元，其中，
所述信号调理单元的输入端与输入信号连接，输出端与所述相位解调单元输入端连接，用以对输入的信号进行反相、滤波和分压；
所述相位解调单元的两个输入端分别与所述信号调理单元以及参考信号移相单元的输出端连接，输出端与所述模数采样单元的输入端连接，用以对所述信号调理单元和参考信号移相单元的输出信号进行相乘；
所述参考信号移相单元含有三个输入端，分别接收参考信号的输入、预置相位的输入以及模数采样单元的反馈，输出端与所述相位解调单元连接，用以将相位解调单元输出的信号进行模数转化得出数字信号以及反馈给参考信号移相单元；
所述模数采样单元的输入端与所述相位解调单元连接，输出端与所述参考信号移相单元连接，用以根据模数采样单元反馈的数字信号对输入的一参考信号的相位进行调整。

2.  如权利要求1所述的锁相放大器，其特征在于：所述参考信号移相单元包括：反馈信号比较单元、预置相位保持单元、移相相位自调整单元、移相计数单元以及移相输出单元，其中，
所述反馈信号比较单元输入端与模数采样单元的输出端连接，输出端连接至移相相位自调整单元；
所述预置相位保持单元输入端接收预置相位的信号，输出端与所述移相相位自调整单元的输入端连接，用以保存外接处理器的预置相位并提供给移相相位自调整单元；
所述移相相位自调整单元的输入端分别与预置相位保持单元和反馈信号比较单元的输出端连接，输出端与所述移相输出单元的一个输入端连接，用以根据预置相位保持单元保存的预置相位和反馈信号比较单元输出的信号，调整从模数采样单元输出的数字信号提供给移相输出单元；
所述移相计数单元的输入端接收所述参考信号的输入，输出端与所述移相输出单元的另一个输入端连接，用以对输入的参考信号进行计数；
所述移相输出单元的两个输入端分别与所述移相计数单元和移相相位自调整单元的输出端连接，输出端与所述相位解调单元的输入端连接，用以根据移相相位自调整单元输出需要调整的相位对移相计数单元输出的参考信号进行移相，得出移相后的参考信号给所述相位解调单元。

3.  如权利要求2所述的锁相放大器，其特征在于：所述反馈信号比较单元包括寄存器和比较器，其中，
比较器用以将预设的默认值以及模数采样单元输出的数字信号进行比较得出最大值，根据比较结果产生相位调整信号输出给所述移相相位自调整单元；
寄存器用以保存比较器得出的最佳值。

4.  如权利要求2所述的锁相放大器，其特征在于：所述移相计数单元包括时钟移相单元和计数单元，所述计数单元设有计数时钟，
所述时钟移相单元用以对计数时钟进行移相；
计数单元以不同相位的时钟同时对输入的参考信号进行计数。

5.  如权利要求1所述的锁相放大器，其特征在于：所述相位解调单元包括带通滤波器、同步解调器和低通滤波器，其中，
带通滤波器用以提取信号调理单元输出的信号并剔除干扰信号；
同步解调器用以将信号调理单元输出的信号与参考信号移相单元输出的同相方波相乘，并将结果输出给所述低通滤波器；
低通滤波器用以衰减信号调理单元输出的信号的交流分量。

6.  如权利要求1或者5所述的锁相放大器，其特征在于：所述相位解调单元为AD630KN型芯片。

7.  如权利要求1所述的锁相放大器，其特征在于：所述模数采样单元为AD677型芯片。

8.  如权利要求1所述的锁相放大器，其特征在于：所述信号调理单元由信号仪用放大器AD8221BR型芯片、模拟开关ADG451BRUZ型芯片和运算放大器AD8672ARZ型芯片组成。

锁相放大器
技术领域
本发明涉及一种微弱信号检测仪器，具体地说，涉及一种锁相放大器。
背景技术
当对一个微弱的待测信号进行检测量时，无用的噪声和干扰总是伴随着出现，影响了测量的精确性和灵敏度，特别是当噪声功率超过待测信号功率时，就需要用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原始信号。锁相放大器(Lock-in Amplifier，简称LIA)的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，极大地推动了基础科学和工程技术的发展。
锁相放大器是以相干检测技术为基础，主要包括信号通道、参考通道和相关器等。早期的锁相放大器是由模拟电路实现的，随着数字技术的发展，出现了模拟与数字混合的锁相放大器和数字锁相放大器。数字锁相放大器实现了锁相放大器的核心相敏检波器或解调器的数字信号处理，比模拟锁相放大器有许多突出的优点(如模拟锁相放大器的温漂问题)而倍受青睐，成为现在微弱信号检测研究的热点。
锁相放大器必须保证输入信号与参考信号的频率相同、相位差为零(或固定的相位差)，振幅也应该是固定不变的常量，其输出直流信号与被测信号的振幅才成正比。
现在的模拟锁相放大器大多采用改变参考信号触发电路的电阻阻值的方法来调整参考信号相位，既不方便又存在较大的相位噪声；而多数数字锁相放大器的参考信号处理单元采用数字参考相移实现，虽然相位分辨率可达到毫度级，相位精度多为0.01度。但是在对相位噪声要求极高的测量系统中，这样的相位噪声是不够的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种锁相放大器，提高相位分辨率。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种锁相放大器，包括：信号调理单元、相位解调单元、模数采样单元，其中，
所述信号调理单元的输入端与输入信号连接，输出端与所述相位解调单元输入端连接，用以对输入的信号进行反相、滤波和分压；
所述相位解调单元的两个输入端分别与所述信号调理单元以及参考信号移相单元的输出端连接，输出端与所述模数采样单元的输入端连接，用以对所述信号调理单元和参考信号移相单元的输出信号进行相乘；
所述参考信号移相单元含有三个输入端，分别接收参考信号的输入、预置相位的输入以及模数采样单元的反馈，输出端与所述相位解调单元连接，用以将相位解调单元输出的信号进行模数转化得出数字信号以及反馈给参考信号移相单元；
所述模数采样单元的输入端与所述相位解调单元连接，输出端与所述参考信号移相单元连接，用以根据模数采样单元反馈的数字信号对输入的一参考信号的相位进行调整。
进一步的，所述参考信号移相单元，包括：反馈信号比较单元、预置相位保持单元、移相相位自调整单元、移相计数单元以及移相输出单元，其中，
所述反馈信号比较单元输入端与模数采样单元的输出端连接，输出端连接至移相相位自调整单元；
所述预置相位保持单元输入端接收预置相位的信号，输出端与所述移相相位自调整单元的输入端连接，用以保存外接处理器的预置相位并提供给移相相位自调整单元；
所述移相相位自调整单元的输入端分别与预置相位保持单元和反馈信号比较单元的输出端连接，输出端与所述移相输出单元的一个输入端连接，用以根据预置相位保持单元保存的预置相位和反馈信号比较单元输出的信号，调整从模数采样单元输出的数字信号提供给移相输出单元；
所述移相计数单元的输入端接收所述参考信号的输入，输出端与所述移相输出单元的另一个输入端连接，用以对输入的参考信号进行计数；
所述移相输出单元的两个输入端分别与所述移相计数单元和移相相位自调整单元的输出端连接，输出端与所述相位解调单元的输入端连接，用以根据移相相位自调整单元输出需要调整的相位对移相计数单元输出的参考信号进行移相，得出移相后的参考信号给所述相位解调单元。
进一步的，所述反馈信号比较单元包括寄存器和比较器，其中，
比较器用以将预设的默认值以及模数采样单元输出反馈的数字信号进行比较得出最佳值，根据比较结果产生相位调整信号输出给所述移相相位自调整单元；
寄存器用以保存比较器得出的最佳值。
进一步的，所述移相计数单元包括时钟移相单元和计数单元，
所述时钟移相单元用以对计数时钟进行移相；
计数单元以不同相位的时钟同时对输入的参考信号进行计数。
进一步的，所述相位解调单元包括带通滤波器、同步解调器和低通滤波器。其中，
同步解调器用以将信号调理单元输出的信号与参考信号移相单元输出的频率的同相方波相乘，并将结果输出给所述低通滤波器；
低通滤波器信号用以衰减调理单元输出的信号的交流分量。
可选的，所述相位解调单元为AD630KN型芯片。
可选的，所述模数采样单元为AD677型芯片。
可选的，所述信号调理单元由信号仪用放大器AD8221BR型芯片、模拟开关ADG451BRUZ型芯片和运算放大器AD8672ARZ型芯片组成。
与现有锁相放大器相比，本发明提供的锁相放大器通过设置有参考信号移相单元，以不同相位的时钟同时对输入的参考信号计数，成倍地提高了相位分辨率。
而且，在锁相放大器正常工作状态时候，移相输出单元输出的数字信号结果反馈给反馈比较单元，实时调整参考信号的移相相位。
附图说明
图1是本发明实施例的锁相放大器结构示意图；
图2是本发明实施例的参考信号移相单元结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的锁相放大器进行描述。
本发明中所述的参考信号可以选择各种信号，如方波，正弦波，三角波，斜波等，在本实施例中，选择所述参考信号为4KHZ的方波。
请参阅图1，图1是本发明实施例的锁相放大器结构示意图，该锁相放大器包括：信号调理单元1、相位解调单元2、模数采样单元3以及参考信号移相单元4，其中，
所述信号调理单元1的输入端与输入信号连接，输出端与所述相位解调单元2输入端连接，用以对输入信号进行反相、滤波和分压。信号调理单元1可以选用信号仪用放大器AD8221BR、模拟开关ADG451BRUZ和运算放大器AD8672ARZ来实现。
所述相位解调单元2的两个输入端分别与所述信号调理单元1以及参考信号移相单元4的输出端连接，输出端与所述模数采样单元3的输入端连接，用以对所述信号调理单元1和参考信号移相单元4的输出信号进行相乘，相位解调单元2包括带通滤波器(未标示)、同步解调器(未标示)和低通滤波器(未标示)三个主要环节。带通滤波器采用三阶巴特沃思滤波器(Butterworth Filter)进行实现，用以提取信号调理单元1输出的待测信号V＝Acos(2πft+θ)并剔除干扰信号，同步解调器将信号调理单元1输出的待测信号V＝Acos(2πft+θ)与参考信号移相单元4输出的频率为f的同相方波信号相乘，经过低通滤波器LPF后的输出电压：Vf=2Aπ.]]>相位解调单元2的同步解调器使用AD630KN实现。相位解调单元2的低通滤波器LPF对信号调理单元输出的信号的交流分量进行衰减，同时须保证一定的带宽，采用三阶贝塞尔滤波器(Bessel Filter)进行实现。相位解调单元2的输出电压Vf=2Aπ]]>作为模数采样单元3的输入。
所述模数采样单元3的输入端与所述相位解调单元2连接，输出端与所述参考信号移相单元4连接，用以将相位解调单元2输出的信号进行模数转化(A/D转换)得出输出信号30，该输出信号30为数字信号，同时将该输出的数字信号30反馈给参考信号移相单元4。参考信号移相单元4根据反馈信号，实时动态调整参考信号的相位，最大限度降低相位噪声。本实施例中，模数采样单元3采用AD677实现。
请参阅图2，本发明实施例的参考信号移相单元结构示意图。参考信号移相单元4根据模数采样单元3输出的数字信号30对输入的参考信号的相位进行调整。参考信号移相单元4有3个输入信号：参考信号、预置信号和模数采样单元3输出的数字信号30，通过对相位进行调整后得出一个输出信号：经过移相的参考信号。本实施例的参考信号移相单元主要有移相计数单元43、预置相位保持单元42、反馈信号比较单元41、移相相位自调整单元44、移相输出单元45等部分组成，其中：
参考信号是移相计数单元4 3的输入信号，触发移相计数单元43并开始对参考信号进行计数。移相计数单元43包括时钟移相单元(未标示)和计数单元(未标示)两部分。所述计数单元设有计数时钟，其中，所述时钟移相单元用以对计数时钟进行移相，计数单元以不同相位的时钟同时对输入的参考信号进行计数，由于本实施例中的计数单元采用了对移相进行计数的方案，本实施例中，相位分辨率可以达到微度级，当计数时钟为100MHZ时，其相位分辨率可以达到2纳秒，可以满足对相位噪声要求极高的测量系统的要求。
所述移相计数单元43的输入端接收所述参考信号的输入，输出端与所述移相输出单元45的另一个输入端连接，移相计数单元43输出的参考信号作为移相输出单元45的输入，移相输出单元45用以将移相计数单元43输出的参考信号以及移相相位自调整单元44输出需要调整的相位进行调整，得出调整后的参考信号给所述相位解调单元2。
所述预置相位保持单元42输入端接收预置相位的信号，预置相位保持单元42使用一个寄存器保持外接处理器的预置相位，其输出为移相相位自调整单元44的输入。
所述反馈信号比较单元41输入端与模数采样单元3的输出端连接，输出端连接至移相相位自调整单元44；所述反馈信号比较单元41包括寄存器(未标示)和比较器(未标示)，其中，比较器用以将预设的默认值以及模数采样单元3输出反馈的数字信号进行比较得出最大值，根据比较结果产生相位调整信号输出给所述移相相位自调整单元44，寄存器用以保存比较器得出的最大值。具体比较过程为：当寄存器内的数值大于比较器内的值时，则将寄存器的值赋给比较器；当寄存器内的值小于等于比较器内的值时，比较器的值保持不变。
预置相位保持单元42的输出和反馈信号比较单元41的输出同时作为移相相位自调整电路44的输入。
所述移相相位自调整单元44的输入端分别与预置相位保持单元42和反馈信号比较单元41的输出端连接，输出端与所述移相输出单元45的一个输入端连接，用以根据预置相位保持单元42保存的预置相位和反馈信号比较单元41输出的信号，调整从模数采样单元3输出的数字信号提供给移相输出单元45。
所述移相输出单元45的两个输入端分别与所述移相计数单元43和移相相位自调整单元44的输出端连接，输出端与所述相位解调单元2的输入端连接。
当移相输出单元45计数相位等于移相相位自调整单元44输出的移相相位时，输出移相后的参考信号，输出给相位解调单元2。整个参考信号移相单元4可以采用EP2C35F484芯片实现。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。