CN101964633B - 用于探测太赫兹脉冲信号的锁相放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于微弱信号检测技术领域，特别涉及一种用于探测太赫兹脉冲信号的锁相放大电路，包括用于探测太赫兹脉冲信号的光电探测器、前置放大模块、移相模块和相敏检波模块，其特征在于，光电探测器采集的待测信号经过前置放大模块处理后接到的相敏检波模块的一个输入端，参考信号经过移相模块的移相操作后接到相敏检波模块的另一个输入端，由相敏检波模块的输出端输出信号，其中，所述的前置放大模块包括依次相连的带通滤波电路和二阶放大电路；所述的移相模块由CD-951V4芯片及其外围电路组成；所述的相敏检波模块由CD552-R3芯片及其外围电路组成。本发明能够检测噪声达到毫伏级的微伏级微小电压信号，输出信号信噪比达到50∶1以上，适用于太赫兹时域光谱仪信号采集等小信号强背景噪声场合。

Description

用于探测太赫兹脉冲信号的锁相放大电路

技术领域

本发明涉及微弱信号检测技术领域，特别是一种高集成度的锁相放大CD552-R3电路。

背景技术

在现代科学研究中，随着科学技术的纵深发展，微弱信号的检测技术变得越来越重要，已成为当今测量技术中一门综合性的前沿课题，运用微弱信号检测技术可以测量如微弱电信号、光信号、磁信号等利用传统方法不能测量的微小物理量。因此，微弱信号检测技术已经深受现代科学的重视，并迅速的发展。

一般测量系统的噪声是一种干扰信号，主要由白噪声和低频噪声组成，通常这些噪声无法用屏蔽等方法消除。噪声干扰信号影响测量仪器的正常工作，降低仪器的探测灵敏度。因此，为了减少噪声的影响，常用窄带滤波器来滤除同频带外的噪声，提高仪器的信噪比。由于一般滤波器的中心频率并不稳定，而且带宽也不能随意设定，无法适用于滤除噪声要求高的场合。

锁相放大是从背景噪声中提取信号的常用技术，采用此技术制得的仪器称为锁相放大器。锁相放大器(lock-in amplifier，LIA)，又称锁定放大器，用于提取强噪声中的微弱信号检测时具有抗干扰能力强、能获取被测量的大小和方向的变化的优点，非常有效地提高测量精度，而被广泛应用于信号检测和自动控制。常见的锁相放大电路的基本结构，主要由信号通道、参考通道、相位检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)四部分构成。

发明内容

本发明的目的在于提供一款适用于太赫兹时域光谱仪信号采集的高性能锁相放大电路。技术方案如下：

一种用于探测太赫兹脉冲信号的锁相放大电路，包括用于探测太赫兹脉冲信号的光电探测器、前置放大模块、移相模块和相敏检波模块，其特征在于，光电探测器采集的待测信号经过前置放大模块处理后接到相敏检波模块的一个输入端，参考信号经过移相模块的移相操作后接到相敏检波模块的另一个输入端，由相敏检波模块的输出端输出信号，其中，

所述的前置放大模块包括依次相连的带通滤波电路和二阶放大电路；

所述的移相模块由CD-951V4芯片及其外围电路组成，所述的CD-951V4芯片的14管脚接参考信号，18管脚为输出端，接到相敏检波模块的一个输入端，4管脚通过电容接电源端+15V，5管脚通过电容接-15V，7管脚接+5V，8管脚接-5V，3、6、9、10、11、19管脚接地，16、17管脚短接；移相变位器RV接在7、8管脚之间，其控制端接1管脚，通过调节移相变位器RV进行移相操作；

所述的相敏检波模块由CD552-R3芯片及其外围电路组成，所述的CD552-R3芯片的1管脚接前置放大模块的输出端，18管脚接移相模块的输出端，20管脚为输出检测信号的输出端，4管脚接通过电容接+15V，5管脚通过电容接-15V，6、11、15、19管脚接地，12、13管脚连接增益变位器RA两端，同时12管脚也作为控制端，通过改变增益变位器来调节内部增益，10管脚通过电容接地，9管脚与可变电阻RH相接后和10管脚一起通过电容接地，可变电阻RH的控制端与10管脚相接，通过改变可变电阻RH阻值确定芯片内置低通滤波单元的截止频率。

作为优选实施方式，所述的带通滤波电路由DT212-DC2芯片及其外围电路组成。DT212-DC2芯片1管脚通过可变电阻RG连接待测信号，13管脚为输出端，连接到所述二阶放大电路的输入端，1、13管脚间通过电阻相连，1、4管脚分别接可变电阻RQ两端，1管脚同时作为可变电阻RQ和RG的控制端，通过调节可变电阻RQ和RG来改变电路的增益和品质因数，38管脚接+5V，40管脚接+15V，34管脚接地，39管脚通过电容接地，6、7管脚之间有电阻相连，21～32管脚为控制端口分别接开关信号，可将管脚电平切换为0V或+5V，改变控制端口的逻辑电平来选择通带频率。

所述的二阶放大电路可以由两组PGA103芯片和OP602芯片及其外围芯片构成，其每一级放大各由一个PAG103芯片和一个OP602芯片串联而成。

本发明的优点在于：利用高集成度芯片CD552-R3搭建了锁相放大电路；整个锁相放大电路所用电子器件数量少，结构组成简单紧凑，整体电路体积小；处理太赫兹信号的性能上达到市面上的商品锁相放大器水平；造价远低于商品锁相放大仪器；这种高集成度CD552-R3锁相放大电路，有利于实现太赫兹时域光谱仪信号探测部分的小型化。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图。

图2是带通滤波电路图。

图3是二阶放大电路图。

图4是移相模块电路图。

图5是相敏检波模块电路图。

图6是测试效果图。

具体实施方式

参见图1，本发明的用于太赫兹时域光谱仪的锁相放大电路，由4部分组成(图1)，包括前置放大模块(1)，移相模块(2)，相敏检波模块(3)，光电探测器(4)组成。待测信号经前置放大模块(1)连接于相敏检波模块(3)，参考信号经移相模块(2)连接于相敏检波模块(3)，从相敏检波模块的输出端得到信号。

由于太赫兹时域光谱仪的输出信号是由光电探测器(4)获得，环境光的影响很大，原始信号除了微伏级的有用信号外还有大量毫伏级的环境背景噪声，有用信号非常小。由此，必须首先经过一定的放大，达到后续相敏检波模块的输入阈值水平。但是，如果直接将所有输入信号一起直接放大，被放大了的环境噪声信号，必将超出相敏检波芯片的输入极限，轻则失真，重则烧毁芯片而不能工作。因此，必须先进行带通滤波，滤除大量非调制频带内的信号后再进行放大。

本发明的锁相放大的基本原理如下：

设参考信号r(t)，周期为T，角频率ω，幅值是V_r的方波信号，由傅里叶级数展开形式为

$r\left(t\right)=\frac{V_r}{2}+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n\sin \left(\mathrm{n\ωt}\right)=\frac{V_r}{2}+\frac{2V_r}{\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin (2n+1)\mathrm{\ωt}---\left(1\right)$

被测信号V_s被与参考信号频率相同的载波信号调制后，获得的输入信号x(t)，其周期和角频率与参考信号相同，幅值为V_s，可表示为

x(t)＝V_ssin(ωt+θ)                                                    (2)

则(1)式与(2)式的相乘后相敏检波模块的输出u_p(t)为

$u_p\left(t\right)=x\left(t\right)r\left(t\right)=\frac{V_r{V}_s}{2}\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})-\frac{V_r{V}_s}{\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n-1}\cos [(2n-2)\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ}]$

$+\frac{V_r{V}_s}{\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n-1}\cos (2\mathrm{n\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(3\right)$

式(3)中n为整数。经过低通滤波器(LPF)后，把式(3)中n＞1的差频项和所有的和频项均被滤除，只剩n＝1的差频项u_o，整理得：

$u_o=\frac{V_r{V}_s}{\mathrm{\π}}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(4\right)$

由公式(4)可以得出：相敏检波模块的输出u_o与V_sV_r的乘积项成正比，与输入信号和参考信号的相位差θ的余弦成正比。如果x(t)中引入与有用信号不同频率的噪声a，在式(3)中也只会增加与a有关的周期项，会在低通滤波后去除，不影响输出结果，以此可以达到去噪目的。

前置放大模块(1)由带通滤波电路(图2)和二阶放大电路组成(图3)。其中带通滤波电路由DT212-DC2芯片及其外围电路组成，这是一块可编程控制芯片，1管脚是信号输入口，接从光电传感器出来的信号，13管脚是信号输出口，接后面二阶放大电路的输入端，21～32管脚是逻辑控制管脚，通过改变他们的高低电平可以选择带通滤波电路的中心频率，范围100Hz～159.9KHz，由于实例中调制频率是1100Hz，所以只用21～25管脚，同时在电路中加入RG和RQ用于调节滤波电路的增益和品质因数，从带通滤波电路出来的信号除中心频率附近的信号被放大外，其他频段的信号将被极大衰减，初步提高了信噪比。从带通滤波电路来的信号仍然没有达到相敏检波模块的输入水平，由二阶放大电路继续放大。二阶放大电路由两级放大组成，每一级放大由一块PAG103和一块OP602组成，PAG103是一块程控放大电路4管脚输入，7管脚输出，放大倍率由A0和A1管脚的高低电平决定，可以线性放大10倍或100倍，但由于PAG存在失调电压，输入为0时输出不为0，因此用OP602作为失调电压调整电路，在第一次运行前调整完即可。这样经过两级放大后，在实例中信号被放大了1000倍，满足了相敏检波模块的输入要求。

式(4)的结论可以看出，原始信号和参考信号的相位差θ起了至关紧要的作用，运行时需要将θ调整到0附近。移相模块(2)由CD-951V4芯片及其外围电路组成。如图4所示，14管脚输入接参考信号，18管脚输出接相敏检波模块，1管脚用于相位调节，范围±100°。只要在运行之时，调节电位器RV使最终输出最大即可。

相敏检波模块(3)由CD552-R3芯片及其外围电路组成，其内部集成了乘法器和低通滤波器。如图5所示，1管脚接前置放大模块的输出，18管脚接移相模块的输出，20管脚为最终信号输出，管脚9、10之间的电阻RH用于调节低通滤波器的截止频率，管脚12、13之间的电阻RA用于调节乘法器的内部增益。

本发明的特点有

待测信号为微伏(μV，10^-6)级弱电压信号，所含电噪声信号为毫伏(mV，10^-3)级，电噪声信号强度高于有效信号10³倍。通过本发明的锁相放大电路后，输出电压信号信噪比达到50∶1以上，主要应用于太赫兹时域光谱仪信号采集等小信号强背景噪声场合。

以下为一个具体实例及测试效果：

电路参数设定如下：带通滤波电路品质因数10，增益5，通带中心频率1100Hz；二阶放大电路增益1000倍，相敏检波模块内部增益10，低通截止频率1Hz。输入信号由天津大学自行研制的THz时域光谱仪提供，斩波器频率设为1100Hz，光学延迟线速度为15um/s。测试效果如图6所示。

Claims (4)

1.一种用于探测太赫兹脉冲信号的锁相放大电路，包括用于探测太赫兹脉冲信号的光电探测器、前置放大模块、移相模块和相敏检波模块，其特征在于，光电探测器采集的待测信号经过前置放大模块处理后接到相敏检波模块的一个输入端，参考信号经过移相模块的移相操作后接到相敏检波模块的另一个输入端，由相敏检波模块的输出端输出信号，其中，

所述的前置放大模块包括依次相连的带通滤波电路和二阶放大电路；

所述的移相模块由CD-951V4芯片及其外围电路组成，所述的CD-951V4芯片的14管脚接参考信号，18管脚为输出端，接到相敏检波模块的一个输入端，4管脚通过电容接电源端+15V，5管脚通过电容接-15V，7管脚接+5V，8管脚接-5V，3、6、9、10、11、19管脚接地，16、17管脚短接；移相变位器RV接在7、8管脚之间，其控制端接1管脚，通过调节移相变位器RV进行移相操作；

所述的相敏检波模块由CD552-R3芯片及其外围电路组成，所述的CD552-R3芯片的1管脚接前置放大模块的输出端，18管脚接移相模块的输出端，20管脚为输出检测信号的输出端，4管脚通过电容接+15V，5管脚通过电容接-15V，6、11、15、19管脚接地，12、13管脚分别连接增益变位器RA两端，同时12管脚也作为控制端，通过改变增益变位器来调节内部增益，10管脚通过电容接地，9管脚与可变电阻RH相接后和10管脚一起通过电容接地，可变电阻RH的控制端与10管脚相接，通过改变可变电阻RH阻值确定芯片内置低通滤波单元的截止频率。

2.根据权利要求1所述的锁相放大电路，其特征在于，所述的带通滤波电路由DT212-DC2芯片及其外围电路组成。

3.根据权利要求2所述的锁相放大电路，其特征在于，所述的DT212-DC2芯片1管脚通过可变电阻RG连接待测信号，13管脚为输出端，连接到所述二阶放大电路的输入端，1、13管脚间通过电阻相连，1、4管脚分别接可变电阻RQ两端，1管脚同时作为可变电阻RQ和RG的控制端，通过调节可变电阻RQ和RG来改变电路的增益和品质因数，38管脚接+5V，40管脚接+15V，34管脚接地，39管脚通过电容接地，6、7管脚之间有电阻相连，21～32管脚为控制端口分别接开关信号，可将管脚电平切换为0V或+5V，改变控制端口的逻辑电平来选择通带频率。

4.根据权利要求1所述的锁相放大电路，其特征在于所述的二阶放大电路由两组PGA103芯片和OP602芯片及其外围芯片构成，其每一级放大各由一个PAG103芯片和一个OP602芯片串联而成。

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