[发明专利]双相数字式锁相放大器及其数字域同步锁相算法

说明书

技术领域

本发明涉及一种双相数字式锁相放大器及所用的数字锁相算法，用来检测太赫兹时域光谱仪差分探测器输出的微弱电流信号，也可用在其他微弱信号检测领域。 

背景技术

锁相放大器在微弱信号检测领域应用广泛，市场所售大部分国外所产锁相放大器例如PE7220，SR830等典型的通用锁相放大器，其体积过于庞大，不便于集成于系统。如果需要进行自动化测试设备，类似PE7265、SR830等型号的锁相放大器会由于通讯速度的限制，使整个系统的速度变慢。 

有很多机构或公司也研究了各种锁相放大器。下列一一剖析各锁相放大器的特点。a、巩祥鹏(公开号CN1885043，中科院电子学研究所)等人所申请发明，应用AD630芯片实现的单项式模拟锁相放大器。此种类型的模拟锁相放大器存在温度漂移等问题。b、李刚(公开号CN102332878A，天津大学)等人，申请的锁相放大器，为双相数字式锁相放大器，但其需预知所要采集信号的频率。如果输入信号频率变化，就需要动态调整系统的采样率。c、王自鑫(CN102045036A，中山大学，一种数字锁相放大器)等人申请发明，采用的是CORDIC算法产生对应的参考信号，然后通过乘法器进行检波，且采用IIR滤波器进行后级的低通滤波，可能会造成信号的微小振荡。模拟式锁相放大器，如果温度变化会产生漂移。模拟式采用AD630芯片的同步解调是直接在模拟电路上实现的，而其他的例如CD502R3等乘法鉴相器芯片，所得的信噪比没有同步解调获得的信噪比高。所能查到的关于锁相放大器的专利文献中的文件，如果信号的输入频率有变化，那么在输入信号端的滤波器没有自适应或者自跟踪的进行滤波的功能。 

发明内容

本发明为解决在太赫兹时域光谱仪等一些精密仪器中，需要用到小型化锁相放大器的问题，并且满足仪器快速响应的需求。解决太赫兹时域光谱仪中由于斩波器输出的频率的抖动或者漂移，引起相位漂移的问题。 

本发明提供了一种小型双相数字式锁相放大器，所述数字式锁相放大器包括前端信号调理电路，锁相环90°移相器，数据采集卡DAQ，及一种数字域双相同步锁相算法等(见图6)。 

本发明通过以下技术方案实现其发明目的。 

所述双相数字式锁相放大器，有两个输入端，一个输入夹杂噪声和干扰的微弱电流信号(简称S_in端)，另一个输入和信号频率相同的TTL占空比为50％的方波参考信号(简称S_ref端)。这里的微弱电流信号可以由一个光电差分二极管输入进来(见图1所示双相数字式锁相放大器前端信号调理模块图)。S_in端输入的微弱电流经过精密的IV变换电路，在通过一个9阶RLC混合型高通滤波器(见图说明书附图2)。这个9阶RLC混合型高通滤波器，低频截止带宽为2000Hz，频率小于200Hz的干扰能衰减到-140dB以下。在将通过高通滤波器后的信号，分别送入，两路，但接法反相的高精密低噪声仪表放大器。两路仪表放大器后端在分别接上8阶无源RLC混合型低通滤波器，这两个低通滤波器的截止频率都为10KHz。同时两路仪表放大器将信号放大100倍。通过低通滤波器输出的两个信号构成1组差分信号，这样能够提高系统的动态范围和共模抑制比。同时参考信号通过锁相环90°移相器后，其变为与原信号频率相同但相位相隔90°的方波。这样从前端信号调理处理的信号有三个，分别为一组差分信号，2个相位差为90°的方波，但频率与差分信号的频率相同的三路信号。通过数据采集卡DAQ采集此三路信号，并送入PC机。PC机通过锁相核心算法，将微弱信号的输入的幅度和虚部提取出来。此节前端信号调理电路的模块图可见图1、图2、图3、图4。 

本发明设计的9阶RLC高通滤波器(见图2)，中阻尼电阻值比较小，噪声也就小。此处应用LC滤波不对电路引入额外噪声而其他引入运放和RC滤波的电路会有额外的噪声。9阶的混合式RLC滤波器，为了实现对周围低频干扰更大的衰减。