一种模拟数字混合结构的锁相放大器及其锁相放大方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟数字混合结构的锁相放大器及其锁相放大方法，该锁相放大器包括输入信号处理系统、参考信号产生系统、模拟处理系统、模数转换系统及数字处理系统，参考信号产生系统的第一输出端和第二输出端输出两路相互正交的正弦波参考信号，模拟处理系统包括两个模拟乘法器和模拟低通滤波器，数字处理系统包括两个数字低通滤波器和数字运算器。本锁相放大器在检测信号过程中允许混叠信号的存在，然后通过模拟低通滤波器和数字低通滤波器的组合，可以有效滤除输入信号中的干扰信号，并滤除高频干扰信号和混叠信号，可以实现对各种频率信号的检测，有效地提高了信噪比，降低了硬件要求，生产成本较低，可广泛应用于弱信号测量领域中。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟数字混合结构的锁相放大器及其锁相放大方法
本专利技术涉及锁相放大器领域，特别是涉及一种模拟数字混合结构的锁相放大器。
技术介绍
锁相放大器，Lock-inAmplifier，英文缩写为LIA，是一种对弱信号进行相敏检波的放大器，它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号中那些与参考信号同频或倍频的噪声分量有响应，能大幅度抑制噪声，改善检测的信噪比。锁相放大器的基本原理框图如图1所示，其中相敏检测器通常由乘法器和积分器组成，而积分器通常采用低通滤波器，图1中锁相放大器采用互相关检测原理，其基本工作原理如下：根据互相关函数的定义，假设输入信号为x(t)＝S(t)+n(t)，参考信号为y(t)。其中S(t)为待测信号，n(t)为噪声信号。则输入信号与参考信号的互相关函数为：根据互相关函数的特性，噪声信号n(t)与参考信号y(t)不相关，则有Rny(τ)＝0，若选择的参考信号y(t)与待测信号S(t)是互相关的，则可以得到输入信号与参考信号的互相关运算的输出为：Rxy(τ)＝Rsy(τ)由此可知，锁相放大器可以实现微弱信号提取，从而去除输入信号中的噪声信号，提高输出信号的信噪比。目前，锁相放大器主要分两大类，模拟锁相放大器(简称ALIA)和数字锁相放大器(简称DLIA)。模拟锁相放大器，其实现锁相放大的核心算法利用模拟电子器件实现，即其相敏检测器完全由模拟乘法器和模拟低通滤波器组成，如图2所示。由于模拟电子器件存在温度漂移，而且各个模拟有源滤波器本身也是噪声源，这些有源滤波器的噪声会影响到模拟锁相放大器提高输出信噪比的性能，而且模拟锁相放大器本身是个开环系统，无法对干扰造成的误差予以纠正，滤波特性一般。而数字锁相放大器则是利用模数转换器将模拟输入信号提取成数字序列，然后利用数字系统的软件实现锁相放大中的乘法和积分算法，如图3所示。与模拟锁相放大器相比，数字锁相放大器由于在输出通道中没有直流放大器，可以避免直流放大器的工作特性随时间变化的不稳定性和由于温度变化引起的温度漂移带来的干扰。但是，由于按照采样定理，其采用的模数转换器的采样速率必须至少大于最高信号频率的两倍，加上其受到数字部分的处理部件的运算能力的限制，数字锁相放大器通常只能应用于低频信号的检测中，对于较高频率例如MHz以上频率的信号，数字锁相放大器较难实现检测或者能实现检测但是成本极高。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术的目的是提供一种模拟数字混合结构的锁相放大器，本专利技术的另一目的是提供一种模拟数字混合结构的锁相放大器的锁相放大方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟数字混合结构的锁相放大器，包括输入信号处理系统、参考信号产生系统、模拟处理系统、模数转换系统及数字处理系统，所述参考信号产生系统的第一输出端和第二输出端输出两路相互正交的正弦波参考信号；所述模拟处理系统包括第一模拟乘法器、第二模拟乘法器、第一模拟低通滤波器及第二模拟低通滤波器，所述模数转换系统包括第一模数转换器及第二模数转换器，所述数字处理系统包括第一数字低通滤波器、第二数字低通滤波器及数字运算器；所述输入信号处理系统的输入端接输入信号，输出端分别与第一模拟乘法器的第一输入端和第二模拟乘法器的第一输入端连接，所述参考信号产生系统的第一输出端与第一模拟乘法器的第二输入端连接，所述参考信号产生系统的第二输出端与第二模拟乘法器的第二输入端连接；所述第一模拟乘法器的输出信号依次通过第一模拟低通滤波器、第一模数转换器及第一数字低通滤波器输入到数字运算器，所述第二模拟乘法器的输出信号依次通过第二模拟低通滤波器、第二模数转换器及第二数字低通滤波器输入到数字运算器。进一步，所述数字运算器包括幅值计算模块、相位计算模块、误差校正模块和反馈模块，所述第一数字低通滤波器和第二数字低通滤波器所输出的信号均分别输入到幅值计算模块、相位计算模块、误差校正模块及反馈模块，所述反馈模块的输出端与参考信号产生系统的输入端连接。进一步，所述输入信号处理系统包括依次串联的缓冲转换模块、滤波模块和放大模块，缓冲转换模块的输入端接输入信号，用于对输入信号进行缓冲或信号转换，放大模块的输出端分别与第一模拟乘法器的第一输入端和第二模拟乘法器的第一输入端连接。进一步，参考信号产生系统包括相位累加模块和信号发生模块，所述反馈模块的输出端与相位累加模块的输入端连接，所述相位累加模块的输出端与信号发生模块的输入端连接，所述信号发生模块的第一输出端与第一模拟乘法器的第二输入端连接，第二输出端与第二模拟乘法器的第二输入端连接。进一步，所述输入信号为电流信号，所述缓冲转换模块包括输入耦合电路、电流-电压转换电路及差分放大电路，所述输入耦合电路的输入端接输入信号，输出端依次通过电流-电压转换电路及差分放大电路后与滤波模块连接。进一步，所述输入信号为电压信号，所述缓冲转换模块包括输入耦合电路及差分放大电路，所述输入耦合电路的输入端接输入信号，输出端通过差分放大电路与滤波模块连接。进一步，所述滤波模块包括50Hz/100Hz陷波器和自跟踪窄带滤波器，所述缓冲转换模块依次通过50Hz/100Hz陷波器、自跟踪窄带滤波器和放大模块连接。本专利技术解决其技术问题所采用的另一技术方案是：一种模拟数字混合结构的锁相放大器的锁相放大方法，包括：S1、通过参考信号产生系统产生两路相互正交的正弦波信号，然后将两路相互正交的正弦波信号分别与输入信号相乘后，得到两路模拟电压输出信号；S2、分别将该两路模拟电压输出信号进行模拟低通滤波后，进行模数转换，得到两路数字电压输出信号；S3、分别对两路数字电压输出信号进行数字低通滤波，并滤除高频干扰信号和混叠信号后，将两路滤波后的输出信号发送到数字运算器。进一步，在所述步骤S3之后还包括以下步骤：S4、数字运算器接收该两路滤波后的输出信号后，计算获得输入信号中待测信号的幅值及相位，并校正由模拟运算所带来的误差，同时将获得的待测信号的相位反馈到参考信号产生系统。进一步，在所述步骤S1之前还包括以下步骤：S01、将输入信号进行缓冲，若输入信号是电流信号，则同时将其转换为电压信号；S02、将缓冲后的输入信号依次进行滤波及信号放大。本专利技术的有益效果是：本专利技术的一种模拟数字混合结构的锁相放大器，包括输入信号处理系统、参考信号产生系统、模拟处理系统、模数转换系统及数字处理系统，参考信号产生系统的第一输出端和第二输出端输出两路相互正交的正弦波参考信号，模拟处理系统包括两个模拟乘法器和模拟低通滤波器，数字处理系统包括两个数字低通滤波器和数字运算器。本专利技术通过将输入信号与两路参考信号分别通过模拟乘法器进行乘法运算后，依次进行模拟低通滤波、模数转换以及数字低通滤波后发送到数字运算器，信号检测过程中允许混叠信号的存在，然后通过模拟低通滤波器和数字低通滤波器的组合，可以有效滤除输入信号中的干扰信号，并滤除高频干扰信号和混叠信号，可以实现对各种频率信号的检测，克服了现有技术中的模拟锁相放大器和数字锁相放大器的缺陷，而且有效地提高了本锁相放大器检测结果的信噪比。另外，本锁相放大器降低了对模拟低通滤波器的硬件要求，加上其在乘法运算以及模拟低通滤波后进行模数转换，大大降低了对模数转换系统的采样速率的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟数字混合结构的锁相放大器，其特征在于，包括输入信号处理系统（100）、参考信号产生系统（200）、模拟处理系统（300）、模数转换系统（400）及数字处理系统（500），所述参考信号产生系统（200）的第一输出端和第二输出端输出两路相互正交的正弦波参考信号；所述模拟处理系统（300）包括第一模拟乘法器（31）、第二模拟乘法器（32）、第一模拟低通滤波器（41）及第二模拟低通滤波器（42），所述模数转换系统（400）包括第一模数转换器（51）及第二模数转换器（52），所述数字处理系统（500）包括第一数字低通滤波器（61）、第二数字低通滤波器（62）及数字运算器（7）；所述输入信号处理系统（100）的输入端接输入信号，输出端分别与第一模拟乘法器（31）的第一输入端和第二模拟乘法器（32）的第一输入端连接，所述参考信号产生系统（200）的第一输出端与第一模拟乘法器（31）的第二输入端连接，所述参考信号产生系统（200）的第二输出端与第二模拟乘法器（32）的第二输入端连接；所述第一模拟乘法器（31）的输出信号依次通过第一模拟低通滤波器（41）、第一模数转换器（51）及第一数字低通滤波器（61）输入到数字运算器（7），所述第二模拟乘法器（32）的输出信号依次通过第二模拟低通滤波器（42）、第二模数转换器（52）及第二数字低通滤波器（62）输入到数字运算器（7）。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟数字混合结构的锁相放大器，其特征在于，包括输入信号处理系统（100）、参考信号产生系统（200）、模拟处理系统（300）、模数转换系统（400）及数字处理系统（500），所述参考信号产生系统（200）的第一输出端和第二输出端输出两路相互正交的正弦波参考信号；所述模拟处理系统（300）包括第一模拟乘法器（31）、第二模拟乘法器（32）、第一模拟低通滤波器（41）及第二模拟低通滤波器（42），所述模数转换系统（400）包括第一模数转换器（51）及第二模数转换器（52），所述数字处理系统（500）包括第一数字低通滤波器（61）、第二数字低通滤波器（62）及数字运算器（7）；所述输入信号处理系统（100）的输入端接输入信号，输出端分别与第一模拟乘法器（31）的第一输入端和第二模拟乘法器（32）的第一输入端连接，所述参考信号产生系统（200）的第一输出端与第一模拟乘法器（31）的第二输入端连接，所述参考信号产生系统（200）的第二输出端与第二模拟乘法器（32）的第二输入端连接；所述第一模拟乘法器（31）的输出信号依次通过第一模拟低通滤波器（41）、第一模数转换器（51）及第一数字低通滤波器（61）输入到数字运算器（7），所述第二模拟乘法器（32）的输出信号依次通过第二模拟低通滤波器（42）、第二模数转换器（52）及第二数字低通滤波器（62）输入到数字运算器（7）；所述数字运算器（7）包括幅值计算模块（71）、相位计算模块（72）、误差校正模块（73）和反馈模块（74），所述第一数字低通滤波器（61）和第二数字低通滤波器（62）所输出的信号均分别输入到幅值计算模块（71）、相位计算模块（72）、误差校正模块（73）及反馈模块（74），所述反馈模块（74）的输出端与参考信号产生系统（200）的输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种模拟数字混合结构的锁相放大器，其特征在于，所述输入信号处理系统（100）包括依次串联的缓冲转换模块（11）、滤波模块（12）和放大模块（13），缓冲转换模块（11）的输入端接输入信号，用于对输入信号进行缓冲或信号转换，放大模块（13）的输出端分别与第一模拟乘法器（31）的第一输入端和第二模拟乘法器（32）的第一输入端连接。3.根据权利要求1所述的一种模拟数字混合结构的锁相放大器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁喜冬，冯昊轩，陈弟虎，王自鑫，郭建平，
申请(专利权)人：广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44