CN105656440B - 一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器 - Google Patents

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Abstract

一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器，涉及锁相放大技术。解决了传统锁相放大器所控制的传感器难以精确校准的问题。FPGA产生的两个直流信号分别发送至一号四象限乘法器和二号四象限乘法器，并控制DDS产生两个交流信号，一个发送至一号四象限乘法器，另一个分成两路，一路发送至二号四象限乘法器，另一路作为第一路输出信号；两个四象限乘法器将计算结果发送至加法器；加法器的计算结果作为第二路输出信号；二阶模拟信号低通滤波器提取传感器反馈信号的振幅、频率和相位，然后发送至FPGA，FPGA将振幅和频率进行恢复。本发明输出的两路交流信号频率相同，相位差可调，能够模拟任意耦合形式的被测物理量，可用于传感器的校准。

Description

一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器
技术领域
本发明涉及一种放大器。
背景技术
锁相放大器具有灵敏度高、信号处理简单、可有效的检测微弱信号等优点，已被广泛应用于传感器、自动控制、频率合成以及时钟同步等技术领域。锁相放大器在传感器领域上的应用原理一般是利用锁相放大器对传感器输入一个特定频率的交流信号，并对其进行锁相控制。当传感器受到外界影响时，其反馈给锁相放大器的频率、相位以及幅值发生改变。根据传感器自身工作原理的不同，可建立频率、相位以及幅值等变化量与所测物理量间的数学关系，并由此得到待测物理量的真实值。但是，对于有些传感器而言，其振动信号的变化是是两种外在物理量耦合的结果，难以在数学上建立起检测信号与被测量物理量间的对应关系，因而需要对传感器进行校准。
发明内容
本发明的目的是为了实现传感器的精确校准，提供一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器。
本发明所述的一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器，包括FPGA1、二阶模拟信号低通滤波器4、DDS7、一号四象限乘法器8、二号四象限乘法器9和加法器10；
FPGA1产生的两个直流信号U0sinθ和U0cosθ分别发送至一号四象限乘法器8和二号四象限乘法器9；
FPGA1控制DDS7产生两个交流信号U1cos(ωt)和U1sin(ωt)，其中U1cos(ωt)发送至一号四象限乘法器8，U1sin(ωt)分成两路，其中一路发送至二号四象限乘法器9，另一路作为所述的锁相放大器的第一路输出信号，发送至传感器的激发电极；
一号四象限乘法器8用于对接收到的两个信号进行相乘，得到U2sinθcos(ωt)，并将信号U2sinθcos(ωt)发送至加法器10；
二号四象限乘法器9用于对接收到的两个信号进行相乘，得到U2cosθsin(ωt)，并将信号U2cosθsin(ωt)发送至加法器10；
加法器10用于对接收到的两个信号进行相加，并将相加后的信号U2sin(ωt+θ)作为所述的锁相放大器的第二路输出信号，相位差θ在0～360°范围内连续可调；
二阶模拟信号低通滤波器4用于接收传感器的反馈信号Ucos(ωt)，并提取反馈信号Ucos(ωt)的振幅U、频率f和相位，然后将反馈信号Ucos(ωt)的振幅U、频率f和相位发送至FPGA1，FPGA1将振幅U和频率f分别恢复至U1和ω/2π。
对于某些传感器(如石英音叉力学传感器)，其振动信号的变化是两种外在物理量耦合的结果，所述两种物理量为：一、与传感器振动位移的频率、相位相同的交变物理量acos(ωt)；二、与传感器振动速率的频率、相位相同的交变物理量bsin(ωt)。这两种物理量耦合的结果为并且tanθ＝a/b为两种物理量振幅的比。
本发明在锁相控制传感器的同时施加一个与被检测物理量具有相同性质的信号，通过调节该信号的幅值和相位可模拟任意形式的被检测物理量，然后采用现有技术即可分别建立传感器检测信号(即反馈信号)与两种物理量间定量关系，以对这两个物理量进行解耦，实现对传感器的校准，进而实现精确测量。锁相放大器的第一路输出信号为U1sin(ωt)，用于传感器的锁相控制，使传感器按照该信号进行振动；第二路输出信号为U2sin(ωt+θ)，相位差在0～360°范围内可调，该信号可转化为U2cosθsin(ωt)+U2sinθcos(ωt)的形式，其中，U2sinθcos(ωt)可用于模拟物理量acos(ωt)；U2cosθsin(ωt)可用于模拟物理量bsin(ωt)，调节第二路输出信号的幅值U2和相位θ，可以模拟任意耦合形式的被测物理量。本发明可用于传感器的校准，还可用于任何需要在锁相控制的同时输出具有与锁相频率相同，且相位可调信号的场合。
附图说明
图1为本发明所述的一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器的原理框图；
图2为实施方式三中在石英音叉力学传感器11上加载模拟耦合外力的原理示意图，其中16为激光器信号输入电极，17为激光器的接地电极，18和19为石英音叉力学传感器的叉脚。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器，包括FPGA1、二阶模拟信号低通滤波器4、DDS7、一号四象限乘法器8、二号四象限乘法器9和加法器10；
FPGA1产生的两个直流信号U0sinθ和U0cosθ分别发送至一号四象限乘法器8和二号四象限乘法器9；
FPGA1控制DDS7产生两个交流信号U1cos(ωt)和U1sin(ωt)，其中U1cos(ωt)发送至一号四象限乘法器8，U1sin(ωt)分成两路，其中一路发送至二号四象限乘法器9，另一路作为所述的锁相放大器的第一路输出信号，发送至传感器的激发电极；
一号四象限乘法器8用于对接收到的两个信号进行相乘，得到U2sinθcos(ωt)，并将信号U2sinθcos(ωt)发送至加法器10；
二号四象限乘法器9用于对接收到的两个信号进行相乘，得到U2cosθsin(ωt)，并将信号U2cosθsin(ωt)发送至加法器10；
加法器10用于对接收到的两个信号进行相加，并将相加后的信号U2sin(ωt+θ)作为所述的锁相放大器的第二路输出信号，相位差θ在0～360°范围内连续可调；
二阶模拟信号低通滤波器4用于接收传感器的反馈信号Ucos(ωt)，并提取反馈信号Ucos(ωt)的振幅U、频率f和相位，然后将反馈信号Ucos(ωt)的振幅U、频率f和相位发送至FPGA1，FPGA1将振幅U和频率f分别恢复至U1和ω/2π。
基本锁相控制过程为：首先，由所述现场可编程门阵列(FPGA)控制所述直接数字频率合成器(DDS)产生两个交流信号U1sin(ωt)和U1cos(ωt)，U1为振幅，ω为角频率，两个交流信号中的一个(如U1sin(ωt))作为第一路输出信号，将第一路输出信号发送给传感器，传感器按照第一路输出信号进行振动。然后，所述二阶模拟信号低通滤波器提取反馈信号(即传感器的检测信号)的信息，并发送给FPGA，FPGA将其中的振幅U和频率f分别恢复至U1和ω/2π，然后控制DDS7，使DDS7产生的两个信号的振幅为U、频率为f，即控制DDS7产生的两个恒定的信号。
可调相位信号输出过程为：首先由现场可编程门阵列(FPGA)产生两个直流信号U0cosθ和U0sinθ。将所述信号U0cosθ和信号U1sin(ωt)输入到二号四象限乘法器9，得到信号U2cosθsin(ωt)；将所述信号U0sinθ和U1cos(ωt)输入到一号四象限乘法器8，得到信号U2sinθcos(ωt)。再将所述信号U2cosθsin(ωt)和U2sinθcos(ωt)输入所述加法器，得到信号U2sin(ωt+θ)作为第二路输出信号，用来模拟被测物理量。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器的进一步限定，本实施方式中，所述的FPGA1中嵌有一号数字比例积分反馈环路滤波器2和二号数字比例积分反馈环路滤波器3；
二阶模拟信号低通滤波器4将反馈信号Ucos(ωt)的振幅U、频率f和相位发送至FPGA1；
一号数字比例积分反馈环路滤波器2用于读取反馈信号Ucos(ωt)的振幅U，并使其恢复至U1；
二号数字比例积分反馈环路滤波器3用于读取反馈信号Ucos(ωt)的频率f，并使其恢复至ω/2π。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器的进一步限定，本实施方式中，所述的二阶模拟信号低通滤波器4包括一号运算放大器5和二号运算放大器6；
一号运算放大器5和二号运算放大器6用于提取反馈信号Ucos(ωt)的振幅U和相位，然后将反馈信号Ucos(ωt)的振幅U和相位发送至FPGA1。
如图2所示，在石英音叉力学传感器11上加载模拟耦合外力。
一、石英音叉力学传感器11的锁相控制：
首先，由所述现场可编程门阵列(FPGA)控制所述直接数字频率合成器(DDS)产生一组交流信号U1sin(ωt)和U1cos(ωt)，其中，信号U1sin(ωt)作为第一路输出信号，输入到石英音叉力学传感器的激发电极12。
然后，石英音叉力学传感器的信号检测电极13将反馈信号Ucos(ωt)输入到所述二阶模拟信号低通滤波器4，再由一号运算放大器5和二号运算放大器6提取信号Ucos(ωt)的振幅U和相位，并送入一号数字比例积分反馈环路滤波器2和二号数字比例积分反馈环路滤波器3。
所述二号数字比例积分反馈环路滤波器3读取反馈信号频率f，并使其恢复；所述一号数字比例积分反馈环路滤波器2读取反馈信号振幅U，并使其恢复。
二、模拟耦合外力的加载：
用激光器14产生的激光15照射石英音叉力学传感器11的叉脚18，由于热效应将产生加载到石英音叉力学传感器11上的外力，具体过程为：
由现场可编程门阵列1产生两个直流信号U0cosθ和U0sinθ，将所述信号U0cosθ和信号U1sin(ωt)输入到二号四象限乘法器9，得到信号U2cosθsin(ωt)；将所述信号U0sinθ和U1cos(ωt)输入到一号四象限乘法器8，得到信号U2sinθcos(ωt)。
将所述信号U2cosθsin(ωt)和U2sinθcos(ωt)输入所述加法器10，得到信号U2sin(ωt+θ)。
将所述信号U2sin(ωt+θ)作为第二路输出信号输入到激光器14，所述激光器14输出激光的功率将按照U2sin(ωt+θ)变化，激光器14的接地电极17接地，所述激光器14发射的激光15照射到石英音叉力学传感器11的叉脚18，由于热效应将对石英音叉力学传感器11产生一个外力，该力的表达式为：
F＝F0sin(ωt+θ)
F0为所加载耦合外力的幅值，与所述第二路输出信号的幅值U2成正相关。上述公式可进一步分解为：
F＝F0sinθcos(ωt)+F0cosθsin(ωt)
F0sinθcos(ωt)为弹性力，与石英音叉力学传感器11振动位移的频率、相位相同的外力；F0cosθsin(ωt)为耗散力，与石英音叉力学传感器11振动速率的频率、相位相同的外力。这两个外力的幅值分别为F0sinθ和F0cosθ，幅值比为tanθ。
最后，调节U2和θ，得到任意幅值和幅值比的耦合外力。

Claims (3)

1.一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器，其特征在于，它包括FPGA(1)、二阶模拟信号低通滤波器(4)、DDS(7)、一号四象限乘法器(8)、二号四象限乘法器(9)和加法器(10)；
FPGA(1)产生的两个直流信号U0sinθ和U0cosθ分别发送至一号四象限乘法器(8)和二号四象限乘法器(9)；
FPGA(1)控制DDS(7)产生两个交流信号U1cos(ωt)和U1sin(ωt)，其中U1cos(ωt)发送至一号四象限乘法器(8)，U1sin(ωt)分成两路，其中一路发送至二号四象限乘法器(9)，另一路作为所述的锁相放大器的第一路输出信号，发送至传感器的激发电极；
一号四象限乘法器(8)用于对接收到的两个信号进行相乘，得到U2sinθcos(ωt)，并将信号U2sinθcos(ωt)发送至加法器(10)；
二号四象限乘法器(9)用于对接收到的两个信号进行相乘，得到U2cosθsin(ωt)，并将信号U2cosθsin(ωt)发送至加法器(10)；
加法器(10)用于对接收到的两个信号进行相加，并将相加后的信号U2sin(ωt+θ)作为所述的锁相放大器的第二路输出信号，相位差θ在0～360°范围内连续可调；
二阶模拟信号低通滤波器(4)用于接收传感器的反馈信号Ucos(ωt)，并提取反馈信号Ucos(ωt)的振幅U、频率f和相位，然后将反馈信号Ucos(ωt)的振幅U、频率f和相位发送至FPGA(1)，FPGA(1)将振幅U和频率f分别恢复至U1和ω/2π。
2.根据权利要求1所述的一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器，其特征在于，所述的FPGA(1)中嵌有一号数字比例积分反馈环路滤波器(2)和二号数字比例积分反馈环路滤波器(3)；
二阶模拟信号低通滤波器(4)将反馈信号Ucos(ωt)的振幅U、频率f和相位发送至FPGA(1)；
一号数字比例积分反馈环路滤波器(2)用于读取反馈信号Ucos(ωt)的振幅U，并使其恢复至U1；
二号数字比例积分反馈环路滤波器(3)用于读取反馈信号Ucos(ωt)的频率f，并使其恢复至ω/2π。
3.根据权利要求2所述的一种相位差连续可调的双信号输出锁相放大器，其特征在于，所述的二阶模拟信号低通滤波器(4)包括一号运算放大器(5)和二号运算放大器(6)；
一号运算放大器(5)和二号运算放大器(6)用于提取反馈信号Ucos(ωt)的振幅U和相位，然后将反馈信号Ucos(ωt)的振幅U和相位发送至FPGA(1)。
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