CN103427790B

CN103427790B - 一种微弱信号测量的选频放大电路

Info

Publication number: CN103427790B
Application number: CN201310347777.0A
Authority: CN
Inventors: 黄敏兴; 梁礼龙; 何广栋
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: CN103427790A

Abstract

本发明公开了一种微弱信号测量的选频放大电路，包括：第一级放大电路和第二级放大电路，所述第一级放大电路和第二级放大电路耦合连接，所述第一级放大电路采用反比例放大电路，所述第二级放大电路采用选频放大电路。本选频放大电路的中心频率为30KHz，其选频特性非常的优良，而且放大倍数为47dB左右，具有非常适合做微弱信号测量的前置放大器等优点。

Description

一种微弱信号测量的选频放大电路

技术领域

本发明涉及一种微弱信号探测技术，特别涉及一种微弱信号测量的选频放大电路，该电路可测量高压下超导调幅调制磁信号，可以确定超导的转变温度。

背景技术

现有的技术中，如文献：陈晓嘉等在《自然杂志》466卷950-953页发表的文章《由压力驱动的电子态竞争所导致的超导电性增强》所公开的技术，如图1所示，当前超导磁信号提取而形成的传统装置是金刚石对顶砧微弱磁信号测量装置。由于高压装置金刚石对顶砧腔体内样品很小（10^-6—10^-7cm³），在这样小的空间下要用物体接触的方式测量超导的电导率以表征超导的性质难度非常大，因此，非样品接触的磁信号测量是一种理想手段，所以选用交流磁化率曲线来表征超导的性质。

现有技术中，如文献：余勇等在《中国物理快报》2009年第26（2）卷26201发表的文章《高压下测量超导转变温度的简单系统》，经过理论分析，提取的磁信号是纳伏级（nV）。而通常探测线圈匝数约为200匝，半径约为2mm，电阻约为200欧姆；由于阻抗不匹配和中心频率不同，一般的前置放大器不能实现预期的放大功能，因此，必须制作一种微弱磁信号测量的选频放大电路来实现信号放大。

超导转变温度测量的金刚石顶砧微弱磁信号测量装置，如图1所示，是由一个高压系统和感应线圈系统构成，由对顶砧系统提供高压、感应线圈系统提取并处理信号。信号线圈系统包含信号线圈、补偿线圈、高频激励线圈和低频调制线圈四部分。感应线圈系统的设计是基于迈斯纳效应、法拉第电磁感应定律以及信号的调幅调制的原理设计而成的。但是依赖于这个系统的缺陷是噪声信号过大。装置噪声信号为毫伏级(mV)，而所需要提取的磁信号却只是纳伏级(nV)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种微弱信号测量的选频放大电路，本选频放大电路的中心频率为30KHz，其选频特性非常的优良，而且放大倍数为47dB左右，该电路的选频放大性能良好。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种微弱信号测量的选频放大电路，包括两级放大电路，第一级使用反比例放大电路，第二级使用选频放大电路。其中：第一级使用反比例放大电路，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第二运算放大器U2。第一级放大电路的放大倍数为第一级放大电路的放大倍数为第二电阻（R2）阻值除以第一电阻（R1）阻值的商，即：R₂/R₁。第三电阻R3是放大器正相端的匹配电阻，它等于放大器负相端所接电路的等效电阻，即它的阻值约为第一电阻R1和第二电阻R2并联后的值，这个目的是为了给放大器设置良好的偏置电压；

第二级使用选频放大电路，包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一电容C1、第二电容C2和第一运算放大器U1。第二级选频放大电路的放大倍数是R₇/2R₄，中心频率f₀的计算公式是：

f_{0} = \frac{1}{2 πC R_{7}} \sqrt{R_{7} (\frac{1}{R_{4}} + \frac{1}{R_{5} + R_{6}})};

本选频放大电路的中心频率为30KHz，根据中心频率公式，第一电容C1、第二电容C2采用的均是电容值为820pF的瓷片电容；计算可得到第六电阻R6的阻值设置为165欧姆。第八电阻R8是放大器正相端的匹配电阻，目的是为了给放大器设置良好的偏置电压，第八电阻R8的阻值约为负相端的等效电抗取实数的模。

所述第一级放大电路和第二级放大电路通过第四电阻R4耦合连接。

本发明的工作原理：在放大电路中,由于电抗元件及半导体极间电容的存在,当信号频率很低或者很高时，信号的放大倍数会减小，甚至产生相移，所以放大倍数与信号频率有关。电路设计的主要方式是通过对固定频率信号的选频而去除杂乱无章的背景噪声信号。另外要求电路能够作为对微弱信号的第一级补偿，从而为接下来的进一步补偿的补偿电路提供帮助。本发明的包括两级放大电路，第一级放大电路使用反比例放大电路，第二级放大电路使用选频放大电路。第一级放大电路使用反比例放大电路，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第二运算放大器U2。第一级放大电路的放大倍数为R₂/R₁。第二级放大电路使用选频放大电路，包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8以及第一电容C1、第二C2和第一运算放大器U1，中心频率为30KHz。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、频谱性能测试：本选频放大电路的中心频率为30KHz，其选频特性非常的优良，放大倍数为48dB左右（如图3所示）。

2.信号放大性能测试：在测试的电压范围中，电路能保持一个较高的信号放大倍数（如图4所示）。

3、本选频放大电路主要针对高压下超导调幅调制磁信号的测量，可以确定超导转变温度。

附图说明

图1是金刚石顶砧微弱磁信号测量装置示意图，图中：1表示衬垫、2表示激励线圈、3表示金刚石、4表示信号线圈、5表示补偿线圈、6表示调制线圈。

图2是本发明的电路原理图。

图3是本发明的实物电路频谱性能测试图。

图4是本发明的实物电路在不同电压下的响应图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，是现有技术中的一个选频放大电路，包括一个高压系统和感应线圈系统，具有衬底1、激励线圈2、金刚石3、信号线圈4、补偿线圈5和调制线圈6，由对顶砧系统提供高压、感应线圈系统提取并处理信号。信号线圈系统包含信号线圈、补偿线圈、高频激励线圈和低频调制线圈四部分。感应线圈系统的设计是基于迈斯纳效应、法拉第电磁感应定律以及信号的调幅调制的原理设计而成的。但是依赖于这个系统的缺陷是噪声信号过大。装置噪声信号为毫伏级(mV)，而所需要提取的磁信号却只是纳伏级(nV)。噪声的主要来源是信号线圈与补偿线圈结构差异而产生的背景噪声，本发明的电路的设计就是为了消除背景噪声。

如图2所示，为本发明的微弱信号测量的选频放大电路，包括两级放大电路，第一级使用反比例放大电路，第二级使用选频放大电路。

本选频放大电路的中心频率为30KHz，根据中心频率计算公式计算出，所述中心频率的计算公式为：

f_{0} = \frac{1}{2 πC R_{7}} \sqrt{R_{7} (\frac{1}{R_{4}} + \frac{1}{R_{5} + R_{6}})},

式中，第一电容C1和第二电容C2均选取820pF的瓷片电容，C表示电容值，取值为820pF；计算可得到第六电阻R6的阻值设置为165Ω，第五电阻R5的阻值为100Ω，第四电阻R4的阻值为1KΩ，第七电阻R7的阻值为200KΩ；第一级放大电路的放大倍数为R₂/R₁，第二级选频放大电路的放大倍数是R₇/2R₄，其中，第一电阻R1的阻值为1KΩ、第二电阻R2的阻值为5KΩ；第三电阻R3和第八电阻R8是放大器正相端的匹配电阻，它们等于放大器负相端所接电路的等效电阻，这个目的是为了给放大器设置良好的偏置电压。第三电阻R3的阻值约为第一电阻R1、第二电阻R2并联后的等效值，第三电阻R3的阻值为830Ω；第八电阻R8的阻值为负相端的等效电抗取实数的模，即为1KΩ。

如图3所示，将本发明的选频放大电路连接到偏置电压源，将由信号发生器产生的信号由输入端输入。设置信号发生器输出振幅为5mV，改变输入信号频率。通过信号输出端得到的信号显示：选频放大电路的中心频率为30KHz，其选频特性非常的优良，放大倍数为48dB左右。

如图4所示，将本发明的选频放大电路连接到偏置电压源，从信号输入端输入信号，设置信号发生器的信号频率为30kHz，然后信号幅度从1mV开始进行测试，测试完后观察波形，由信号输出端得到的信号显示：在测试的电压范围中，电路能保持一个较高的信号放大倍数。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微弱信号测量的选频放大电路，其特征在于，包括：第一级放大电路和第二级放大电路，所述第一级放大电路和第二级放大电路耦合连接，所述第一级放大电路采用反比例放大电路，所述第二级放大电路采用选频放大电路；

所述第一级放大电路包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第二运算放大器(U2)；R1左端引线接输入端，R1右端引线接U2的引脚2；R2并联在U2的引脚2、6之间；R3下端引线接地，R3上端引线接U2的引脚3；第一级放大电路的放大倍数为第二电阻(R2)阻值除以第一电阻(R1)阻值的商；第三电阻(R3)是放大器正相端的匹配电阻，第三电阻(R3)等于放大器负相端所接电路的等效电阻，即第三电阻(R3)的阻值约为第一电阻(R1)和第二电阻(R2)并联后的值；所述第一电阻(R1)的阻值为1KΩ，第二电阻(R2)的阻值为5KΩ，第三电阻(R3)的阻值为830Ω，第三电阻(R3)的阻值为830Ω；所述第二级放大电路包括第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第一电容(C1)、第二电容(C2)和第一运算放大器(U1)；R4左端引线接U2的引脚6，R4右端引线接R6上端引线；R5下端引线接地，R5上端引线接R6下端引线；R6上端引线接R4右端引线，R6下端引线接R5上端引线；C1左端引线接R4右端引线，C1右端引线接R7上端引线；C2左端引线接R4右端引线，C2右端引线接U1的引脚3；R7上端引线接C1右端引线，R7下端引线接接U1的引脚3；R8下端引线接地，R8上端引线接U1的引脚3；第二级选频放大电路的放大倍数是R₇/2R₄；所述第四电阻(R4)的阻值为1KΩ，第五电阻(R5)的阻值为100Ω，第六电阻(R6)的阻值为165Ω，第七电阻(R7)的阻值为200KΩ，第八电阻(R8)的阻值为1KΩ，第一电容(C1)的电容值为820pF，第二电容(C2)的电容值为820pF。

2.根据权利要求1所述的微弱信号测量的选频放大电路，其特征在于：中心频率f₀的值为30KHz，所述第一电容(C1)和第二电容(C2)均采用瓷片电容；第八电阻(R8)是第一运算放大器(U1)的正相端的匹配电阻，第八电阻(R8)的阻值为1KΩ。

3.根据权利要求2所述的微弱信号测量的选频放大电路，其特征在于：所述中心频率f₀的计算公式为：

f_{0} = \frac{1}{2 {πCR}_{7}} \sqrt{R_{7} (\frac{1}{R_{4}} + \frac{1}{R_{5} + R_{6}})} .

4.根据权利要求1所述的微弱信号测量的选频放大电路，其特征在于：所述第一级放大电路和第二级放大电路通过第四电阻(R4)耦合连接。