[发明专利]一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器

权利要求书

1.一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器，其特征在于：包括输入信号通道(11)、参考信号通道(12)、基于FPGA的数字相关解调模块(13)、上位机模块(14)和数/模转换输出模块(15)，其中输入信号通道(11)包含仪器放大电路、低通滤波器、高通滤波器、模/数(A/D)转换电路四个子模块，分别对输入信号进行放大、滤波和模/数转换，参考信号通道(12)将来自光弹调制器的正弦信号转换成方波信号，并分压成可被FPGA直接接受的电平为3.3V的方波信号，数字化后的输入信号和参考信号进入基于FPGA的数字相关解调模块(13)，进行乘法、滤波和一系列的运算之后，得到的平方和结果通过串口送入上位机模块(14)进行开发运算，上位机模块由LabVIEW搭建，得到的一次谐波和二次谐波的幅值在这里显示，并通过串口发回FPGA，控制数/模转换输出模块(15)进行结果输出；

基于FPGA的数字相关解调模块(13)是由位时钟分频(21)，测频率模块(22)、DDS模块(23)、高通滤波器(24)、乘法器(25)、滤波模块(26)、平方和模块(27)组成，其中滤波模块(26)包含低通滤波模块(①)、IIR带通滤波器(②)，低通滤波模块包含CIC降采样滤波器(i)、FIR低通滤波器(ii)，时钟分频(21)将数字电路晶振分频，转换成数模转换器等需要的工作频率，测频率模块检测参考信号的频率，生成频率控制字，送入DDS模块生成核参考信号同频率的正弦波和余弦波作为参考信号，输入信号经过高通滤波器，滤除由模/数转换器带来的直流分量，和参考信号分别相乘，通过滤波模块得到所需分量，再进行平方和运算，结果经过串口送入上位机模块中；

输入信号为多频复合信号，且解调目标为基频分量和二倍频分量，即目标信号的频率分别为ω和2ω；基于FPGA进行数字相关解调运算，使用频率等于输入信号基频ω的正弦信号和余弦信号作为参考信号，分别与输入信号相乘，乘法器后接两个低通滤波器和两个中心频率为ω的带通滤波器，分别得到含有一次谐波幅值和二次谐波幅值的分量，以进行后续运算，得到目标信号的幅值；

输入信号中频率为ω的基频分量和频率为2ω的二倍频分量，和参考信号sin(ωt)以及cos(ωt)分别相乘后，得到的结果如下所示：

通过低通滤波器和中心频率为ω的带通滤波器后，得到结果：

其中，V₁和θ₁是一次谐波的幅值和初始相位，V₂和θ₂是二次谐波的幅值和初始相位，I₁、Q₁、I₂、Q₂分别是两个低通滤波器和两个带通滤波器的输出结果；

对信号进行平方和、开平方运算，同时得到输入双频信号的基频分量和二倍频分量的幅值；

该放大器进行双通道解调运算时，只使用了两个乘法器，并在解调二倍频信号时用带通滤波器代替低通滤波器，简化了锁相放大器的算法和结构；

该放大器基于FPGA，充分利用了FPGA在数字电路设计方面的优势，简化电路结构，减小电路体积，提出了一种双通道数字锁相放大器；

该放大器可以同时检测多频复合信号中的基频分量和二倍频分量的幅值，且算法和电路得到优化和简化。