CN105092985B - 基于锁相放大器的衰减参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于锁相放大器的衰减参数测量装置，该装置包括射频信号源、激励信号输入端、衰减信号输入端、本振源、混频器、程控步进标准衰减器和锁相放大器。本方案通过采用射频串联和低中频串联替代相结合的方法对系统进行改进，引入锁相放大器相关检测的方法，使用锁相放大器作为中频接收装置，从微弱信号中提取出有用信号，消除周围环境的噪声干扰对衰减测量的影响；通过本方案最大限度的压缩带宽、抑制噪声，使得系统的测量准确度和动态范围都有大幅提高，从而解决了在测量大衰减量过程中各类噪声的干扰问题。

Description

基于锁相放大器的衰减参数测量装置

技术领域

本发明涉及衰减参数测量领域。更具体地，涉及一种利用锁相放大器进行衰减参数测量的装置。

背景技术

微波无线电衰减在无线电领域中是一个非常重要和普及的参数，国内外都非常重视衰减参数标准的建立。目前广泛采用的衰减测量检定装置都需要一个高灵敏度的测量接收机，所以测量接收机是测试系统的关键部分，测量接收机用于处理接收到的中频信号，要求其动态范围大，线性度好。

目前国际上衰减测量均采用串联低中频替代技术，而且都在较低的固定中频上进行替代，这样作为替代标准的衰减器容易做的很精密，其指示电路部分采用的是主中放/检波电路(采用各类检波器)和电压表电路组成。国际上新研制的测量接收机如RS公司的FSMR和安捷伦公司的N5531，其均为多参数的测量接收机，它们的工作原理均是在频谱分析仪的基础上通过软件来实现的，且价格昂贵在百万元以上，给计量机构带来很大的费用负担；对于国内，十一五期间国防二中心研制的同轴衰减标准也是采用串联低中频替代技术，利用感应分压器作为标准衰减器，接收端采用真有效值检波的方法把交流信号转换为直流信号，再由高位A/D转换器进行数据采样后通过数据传输到计算机并进行数据处理和显示。所有上述方法的缺点是对环境的要求非常高，在测量大衰减量时，周围的任何微小振动或电磁干扰以及地线噪声都有可能引起测量结果的很大波动，造成测量的准确度降低。而目前许多实验室的环境要求很难达到测试的不确定度要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于锁相放大器的衰减参数测量装置，解决在在恶劣的环境下如何提高衰减参数测量的准确度和稳定性。本发明通过采用锁相放大器作为中频接收和指示装置，使用相关检波的方法，从微弱信号中提取出有用信号，消除周围恶劣环境的噪声干扰对衰减测量的影响，从而提高衰减测量的准确度和稳定性。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

基于锁相放大器的衰减参数测量装置，该装置包括：

射频信号源，用于产生射频信号；

激励信号输入端，用于向被测衰减器输入射频激励信号；

衰减信号输入端，用于将在激励信号的触发下被测衰减器发出的衰减信号输入测量装置；

本振源，用于发出与所述衰减信号混合的本振信号；

混频器，用于将本振信号与所述衰减信号混合，获得中频信号；

程控步进标准衰减器，利用标准衰减器的改变量替代被测衰减器的衰减量，实现中频替代补偿，获得测试信号；

锁相放大器，对测试信号进行数据采集和处理，获得被测衰减器的检定参数，并作为校准被测衰减器的校准参数。

优选的，该装置进一步包括设置在射频源与激励信号输入端之间的第一隔离器；和设置在衰减信号输入端与混频器之间的第二隔离器。

优选的，该装置进一步包括用于为本振源和射频源提供10MHz基准的频率基准器；

优选的，该装置进一步包括用于为本振源和锁相放大器提供基准信号的函数发生器。

优选的，该装置进一步设置在混频器和程控步进标准衰减器之间的低噪声预放大器。

优选的，所述锁相放大器包括

测试信号输入端；

参考信号输入端；

A/D转换器，用于将测试信号转化为数字信号；

处理单元，基于参考信号对所述数字信号进行数字相关运算，获得与所述衰减信号的幅值和相位相关的第一相关信号和第二相关信号；

计算模块，根据所述第一相关信号和第二相关信号，计算所述衰减信号的幅值R和相位θ值；

计算结果输出端。

优选的，所述锁相放大器进一步包括依次设置在所述测试信号输入端和A/D转换器之间的第一放大器、50Hz陷波器、100Hz陷波器和第二放大器。

优选的，所述锁相放大器进一步包括设置在参考信号输入端和处理单元之间的锁相环。

优选的，所述处理单元包括

振荡器，基于参考信号产生时钟信号；

移相器，对时钟信号进行移相处理，产生第一移相信号和第二移相信号；

90°移相器，对第一移相信号进行90°移相处理，获得与第一移相信号正交的第三移相信号；

第一鉴相器，基于测试信号和第三移相信号，产生第一相关信号；

第二鉴相器，基于测试信号和第二移相信号，产生第二相关信号。

优选的，所述处理单元进一步包括设置在第一鉴相器和计算模块之间的第一低通滤波器；设置在第二鉴相器和计算模块之间的第二低通滤波器。

本发明的有益效果如下：

通过采用射频串联和低中频串联替代相结合的方法对系统进行改进，引入锁相放大器相关检测的方法，使用锁相放大器作为中频接收装置，从微弱信号中提取出有用信号，消除周围环境的噪声干扰对衰减测量的影响。根据参考信号与测试信号相关而与噪声不相关的原理，锁相放大器采取相关检测技术，最大限度的压缩带宽、抑制噪声，使得系统的测量准确度和动态范围都有大幅提高，从而解决了在测量大衰减量过程中各类噪声的干扰问题。测量中还可采用了将程控标准衰减器应用在测量系统中，代替传统的感应分压器实现了完全的自动测量，提高了工作效率和人工读数引入的不确定度问题。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明所述基于锁相放大器的衰减参数测量装置的示意图；

图2示出本发明所述锁相放大器的示意图；

图3示出本发明所述锁相放大器实际测量的电压值的误差；

图4示出本发明所述测量装置的衰减测试数据误差；

附图标记：1、射频源，2、第一隔离器，3、被测衰减器，4、第二隔离器，5、混频器，6、低噪声预放大器，7、程控步进标准衰减器，8、锁相放大器，9、10MHz频率基准器，10、本振源，11、函数发生器；

21、测试信号输入端，22、第一放大器，23、50Hz陷波器，24、100Hz陷波器，25、第二放大器，26、A/D转换器，27、第一低通滤波器，28、第一鉴相器，29、90°移相器，30、参考信号输入端，31、锁相环，32、振荡器，33、移相器，34、第二鉴相器，35、第二低通滤波器，36、R与θ计算模块，37、θ输出端，38、R输出端，39、FPGA；

A1、激励信号输入端，A2、衰减信号输入端。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

目前大部分国家的衰减测量都基于串联低中频替代法这一原理，对衰减参数进行测量后，作为被测衰减器的校准参数对被测衰减器进行校准，通过改变标准程控衰减器的衰减量替代被测衰减器的衰减量达到再次平衡。采用串联低中频替代法测量衰减准确度高且动态范围较大。为了进一步提高系统性能，本项目采用射频串联和低中频串联替代相结合的方法对系统进行改进，引入锁相放大器相关检测的方法，使用锁相放大器作为中频接收和指示装置。锁相放大器是根据参考信号与测试信号相关而与噪声不相关的原理，采用相关检测技术，最大限度的压缩带宽、抑制噪声，使得系统的测量稳定度和动态范围都有大幅提高。采用锁相放大器进行单通道串联低中频替代法原理框图如图1所示。在单通道衰减测量系统中，采用射频源、本振源和函数发生器共时基，其参考信号由函数发生器产生，测试系统结构简单，且由于不存在测试通道和参考通道的串扰问题，测量准确度更高。

如图1所示，本发明公开了一种基于锁相放大器的衰减参数测量装置，该装置包括：激励信号输入端A1、衰减信号输入端A2、射频信号源1、混频器5、程控步进标准衰减器7、锁相放大器8和本振源10；

射频源1发出射频信号利用激励信号输入端A1输入至被测衰减器3中，被测衰减器3对射频信号进行频谱迁移后输出衰减信号，该衰减信号利用衰减信号输入端A2输入至本发明所述测量装置中，所述衰减信号通过混频器5，混频器5将本振源10发出的本振信号与衰减信号混合，产生容易处理的中频信号，该中频信号经步进标准衰减器进行中频替代，实现中频替代补偿，获得测试信号，锁相放大器8对测试信号进行数据采集和处理，获得被测衰减器的检定参数，并作为校准被测衰减器的校准参数。本发明所述的测量装置为了更好的与被检测衰减器实现信号隔离，进一步在该装置中设置有在射频源与激励信号输入端之间的第一隔离器2和在衰减信号输入端与混频器之间的第二隔离器4。该装置进一步包括用于为本振源10和射频源1提供10MHz基准的频率基准器9；用于为本振源10和锁相放大器8提供基准信号的函数发生器11。该装置还包括设置在混频器5和程控步进标准衰减器7之间的低噪声预放大器6。

如图2所示，本发明所述测量装置中锁相放大器包括测试信号输入端21、参考信号输入端30；A/D转换器、处理单元、计算模块和计算结果输出端；测试信号通过输入端21进入锁相放大器8中，通过A/D转换为数字信号后，进入处理单元进行数字相关运算，获得与所述衰减信号的幅值和相位相关的第一相关信号和第二相关信号，利用计算模块36，根据所述第一相关信号和第二相关信号，计算所述衰减信号的幅值R和相位θ值，将所述衰减信号的幅值R和相位θ的检测值通过计算结果输出端输出，计算结果输出端包括幅值输出端38和相位输出端37。为了保证系统的检测精度，所述锁相放大器进一步包括依次设置在所述测试信号输入端21和A/D转换器26之间的第一放大器22、50Hz陷波器23、100Hz陷波器24和第二放大器25，对测试信号进行放大滤波，滤除50Hz和100Hz的噪声频率。该锁相放大器8进一步包括设置在参考信号输入端30和处理单元之间的锁相环31。本发明中所述处理单元为FPGA39，所述处理单元包括振荡器32、移相器28、90°移相器29、第一鉴相器28、第二鉴相器34；参考信号经过锁相环31后进入FPGA39当中，经过振荡器32处理后，产生时钟信号，移相器33对时钟信号进行移相处理，产生产生第一移相信号和第二移相信号，其中，第一移相信号经过90°移相器29后，获得获得与第一移相信号正交的第三移相信号，FPGA39利用第一鉴相器28基于测试信号和第三移相信号，产生第一相关信号，利用第二鉴相器34基于测试信号和第二移相信号，产生第二相关信号，该第一相关信号和第二相关信号同时输入至计算模块36进行所述待测衰减信号的幅值和相位的计算。该处理单元进一步包括设置在第一鉴相器和计算模块之间的第一低通滤波器；设置在第二鉴相器和计算模块之间的第二低通滤波器。

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明：

本发明所述衰减参数测量装置包括射频源1、第一隔离器2、激励信号输入端A1、衰减信号输入端A2、第二隔离器4、混频器5、低噪声预放大器6、程控步进标准衰减器7、锁相放大器8、10MHz频率基准器9、本振源10和函数发生器11。采用串联低中频替代法的技术原理，通过频率变换方式将射频及微波信号线性地变换为中频信号，利用高准确度程控步进标准衰减器7的改变量替代被检的被测衰减器的衰减量从而达到准确有效地测量衰减量的目的，它具有很高的灵敏度，和超过100dB的动态范围。

本发明所述测量装置利用射频源1为被测衰减器3提供激励信号，被测衰减器3基于该激励信号产生衰减信号，本发明分别在被测衰减器3的信号输入端和信号输出端设置有第一隔离器2和第二隔离器4以实现良好的信号隔离，防止噪声干扰，减小被测衰减器的阻抗不匹配造成的测量误差。该测量装置利用本振信号源10和混频器5把经过被测衰减器产生的衰减的射频信号与本振信号通过混频器5下变频到容易处理的中频信号，改中频信号通过低噪声预放大器6把变频后的中频信号进行预先放大处理，经放大处理的信号利用标准程控步进衰减器7的标准衰减量替代被测衰减器的衰减量，最后利用锁相放大器8把经过替代的测试信号进行放大滤波后与经过两个相位差为90°的移相器产生两路相互正交的第三移相信号和第二移相信号，再分别通过鉴相器进行相关处理，得到第一相关信号和第二相关信号，然后利用这两路两路正交第一相关信号和第二相关信号进行幅值R和相位θ的计算，获得被测衰减器的检定参数，并作为校准被测衰减器的校准参数，后续将被测衰减器的检定参数送至外部设备进行数据计算，得到最终的测量结果。

衰减参数测量装置工作原理首先对经过被测衰减器的射频信号进行频谱搬移即通过混频器和本振信号对被测射频信号进行下变频，使被测射频信号变为容易处理的中频信号，然后将混频后的中频信号进行低噪声预放，经程控步进标准衰减器7进行替代补偿后由锁相放大器8进行中频放大滤波和相关检波处理并进行数据采集和处理进行最终显示。具体过程是利用程控步进标准衰减器7的变化量替代被测衰减器的衰减量，在系统工作过程中是通过两次调平衡(调零)的过程实现这一目的。替代过程中，被校衰减器和中频标准衰减器的衰减量设置分别为0dB和85dB，可以使本发明所述装置覆盖度>80dB的动态范围。在测量过程中随着被测衰减器衰减量的增加，程控步进标准衰减器7的衰减量在同步减小，使得中放输入端(-82dBm)及后面各级电路的信号电平近似保持恒定。而被测量的误差则取决于锁相放大器8替代过程中的灵敏度和准确度。

锁相放大器的前端放大和滤波的功能是把输入的微弱的测试信号(-82dBm，18μV)放大到足以满足相关器工作的电平，并抑制和滤除部分干扰和噪声，具有低噪声与高增益的性能。在设计中，需中频放大器输出端的信号电平为+5dBm(0.4V)，因此，中频放大器部分的总增益应为87dB(放大倍数为2.22万倍)。中频放大器拟采用多级放大方式，在输入端首先加一级射随器进行隔离，然后再进行放大滤波。滤波器由两级带通滤波器和两级陷波器组成，其中带通滤波器中心频率为50kHz，带宽1kHz，两级陷波器的陷波频率分别为50Hz和100Hz可以有效滤除被测信号质量变差时噪声的干扰和电源引入的噪声干扰，用于改善信号的质量。锁相放大器8后端采用数字正交互相关检测的方法进行，它可以消除参考信号与测试信号初始相差的影响，对于不同初相差的信号，输出信号都能保持等于输入信号幅度的最大输出，且正交相关检测在测量信号幅值的同时还可以对信号的相位进行测量，从而保证了测量数据稳定性。

本发明设计的锁相放大器8是以互相关检测为基础的数字化相关检测器，利用被检测信号的同频参考信号进行数字互相关运算来实现信号检测。由于噪声的随机和不相关性，噪声与被测信号不相关，可以去除随机噪声的影响，本发明是测试信号经过测试信号输入端21后，进行高速模数转换，对高频信号进行采样，将结果送入FPGA39进行数字存储，再通过FPGA39进行软件编程对采集的数字信号进行数字相关运算，也可以根据实际情况，在相关运算前可选择地采用滤波算法进行处理，以提高精度，最后给出运算结果。从而改善系统性能，减少干扰的产生，提高稳定性。

数字相关检波具体工作原理是通过A/D采样将被测模拟信号转换为信号序列，由FPGA39合成参考序列。要求控制采样频率实现整周期采样，这样不仅可以精确合成参考序列，而且能建立简洁有效地数字互相关运算。

设输入信号频率为f，采样频率为f_s，使得f_s＝N×f(N≥3)。对信号采样q个周期，总采样点数为M＝N×q。

设输入信号V_s(k)为

根据N合成正弦参考序列V_rs(k)和余弦参考序列V_rc(k)

V_rs(k)和V_rc(k)分别相当于对正弦参考信号sin(2πf_rt)和余弦参考信号cos(2πf_rt)进行同步采样所得。则V_s(k)和V_rs(k)的互相关R_xrs得

V_s(k)和V_rc(k)的互相关R_xrc得

如果为整周期采样，则

R_xrs和R_xrc分别表示同相输出和正交输出信号，可得：

其中R是输入信号的幅度，是采样起始时刻的初相。

被测信号经相关检波和低通滤波后输出信号为直流，且于幅度成正比。

具体方法是被测信号通过18bit 80MHz高速A/D采样将被测模拟信号转换为信号序列并进行存储,系统时钟信号通过输入的参考信号由数字锁相环进行锁相产生，再由FPGA依据系统时钟信号和采样速率合成正交参考信号序列，这样可以保证被测信号序列与参考信号序列完全同频和同步，再通过FPGA进行软件编程对采集的数字信号进行数字相关运算,要求控制采样频率实现整周期采样，这样不仅可以精确合成参考序列，而且能建立简洁有效地数字互相关运算，并根据实际情况，在相关运算前选择地采用滤波算法进行处理，以提高精度，最后给出运算结果，从而改善系统性能，减少干扰的产生，提高稳定性。通过多次实验证明，当输入微弱信号的信噪比达到1：1时，锁相放大器仍能从噪声中提取出有用信号并进行准确测量。

如图3和图4所示，由于采用了锁相放大器的相关检测方法，在测量大衰减量时把输入的微弱信号放大到足以满足相关检波器工作的电平，利用锁相放大器相关检测方法抑制和滤除输入信号的干扰和噪声，使得测量信噪比很差的信号时，仍能够从噪声中提取出有用信号并进行有效测量，使得平衡电平的测量稳定性得到很大程度的提高，进而使衰减的测量准确度、稳定性和重复性有了很大的提升，达到了国际同类产品的水平。由图3锁相放大器实际测量电压值的多次测量测量误差可以看出当输入信号的峰峰值为0.5V时，测得测量值最大误差值为0.0005V，当输入信号的峰峰值为1V时，测得测量值最大误差值为0.0009V，与采用AD直接采样的最大误差在mV级有了明显提高。图4衰减校准的测试数据表明了在测量频率为40GHz时对应的衰减量为60dB时的测量误差最大为0.101dB，即0.017dB/10dB与同类衰减测量装置的0.02dB/10dB水平相当。

综上所述，本发明通过采用射频串联和低中频串联替代相结合的方法对系统进行改进，引入锁相放大器相关检测的方法，使用锁相放大器作为中频接收装置，从微弱信号中提取出有用信号，消除周围环境的噪声干扰对衰减测量的影响。根据参考信号与测试信号相关而与噪声不相关的原理，锁相放大器采取相关检测技术，最大限度的压缩带宽、抑制噪声，使得系统的测量准确度和动态范围都有大幅提高，从而解决了在测量大衰减量过程中各类噪声的干扰问题。测量中还可采用了将程控标准衰减器应用在测量系统中，代替传统的感应分压器实现了完全的自动测量，提高了工作效率和人工读数引入的不确定度问题。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.基于锁相放大器的衰减参数测量装置，其特征在于：该装置包括：

射频信号源，用于产生射频信号；

激励信号输入端，用于向被测衰减器输入射频激励信号；

衰减信号输入端，用于将在激励信号的触发下被测衰减器发出的衰减信号输入测量装置；

本振源，用于发出与所述衰减信号混合的本振信号；

混频器，用于将本振信号与所述衰减信号混合，获得中频信号；

程控步进标准衰减器，利用标准衰减器的改变量替代被测衰减器的衰减量，实现中频替代补偿，获得测试信号；

锁相放大器，对测试信号进行数据采集和处理，获得被测衰减器的检定参数，并作为校准被测衰减器的校准参数；

该装置进一步包括用于为本振源和锁相放大器提供基准信号的函数发生器；

所述锁相放大器包括

测试信号输入端；

参考信号输入端；

A/D转换器，用于将测试信号转化为数字信号；

处理单元，基于参考信号对所述数字信号进行数字相关运算，获得与所述衰减信号的幅值和相位相关的第一相关信号和第二相关信号；

计算模块，根据所述第一相关信号和第二相关信号，计算所述衰减信号的幅值R和相位θ值；

计算结果输出端；

所述处理单元包括

振荡器，基于参考信号产生时钟信号；

移相器，对时钟信号进行移相处理，产生第一移相信号和第二移相信号；

90°移相器，对第一移相信号进行90°移相处理，获得与第一移相信号正交的第三移相信号；

第一鉴相器，基于测试信号和第三移相信号，产生第一相关信号；

第二鉴相器，基于测试信号和第二移相信号，产生第二相关信号。

2.根据权利要求1所述的衰减参数测量装置，其特征在于，该装置进一步包括设置在射频源与激励信号输入端之间的第一隔离器；和设置在衰减信号输入端与混频器之间的第二隔离器。

3.根据权利要求1所述的衰减参数测量装置，其特征在于，该装置进一步包括用于为本振源和射频源提供10MHz基准的频率基准器。

4.根据权利要求1所述的衰减参数测量装置，其特征在于，该装置进一步设置在混频器和程控步进标准衰减器之间的低噪声预放大器。

5.根据权利要求1所述的衰减参数测量装置，其特征在于，所述锁相放大器进一步包括依次设置在所述测试信号输入端和AD转换器之间的第一放大器、50Hz陷波器、100Hz陷波器和第二放大器。

6.根据权利要求1所述的衰减参数测量装置，其特征在于，所述锁相放大器进一步包括设置在参考信号输入端和处理单元之间的锁相环。

7.根据权利要求1所述的衰减参数测量装置，其特征在于，所述处理单元进一步包括设置在第一鉴相器和计算模块之间的第一低通滤波器；设置在第二鉴相器和计算模块之间的第二低通滤波器。