CN107124179A - 一种检测微弱光电流信号的锁相放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，包括信号通道、参考通道和相敏检波、还包括低通滤波；信号通道包括I/V转换电路、三级放大电路、交流耦合；I/V转换电路、三级放大电路和交流耦合顺次相连。本发明具有以下优点为，实现了对微弱光电流信号的检测，本发明可检测的输入电流范围大，频率响应范围带宽大，线性度好、成本低、电路结构简单，具有较高的使用价值。

Description

一种检测微弱光电流信号的锁相放大器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种检测微弱光电流信号的锁相放大器。

背景技术

自从1988年Hafeman等人将表面光电压测量技术引入电解液/绝缘体/半导体(electrolyte/insulator/semiconductor，简称EIS)结构，首次提出了光寻址电位传感器(Light-Addressable Potentiometric Sensor，简称LAPS)的概念。由于LAPS是利用光束扫描方式寻址，而不是用固定的电极引线或其他复杂外电路结构进行寻址，因此只需要一根引线就可以对多个点进行测量，且稳定性好，检测时间短；从而满足化学传感器微型化、智能化、多功能化的要求。因此，LAPS已经被广泛用于测量pH值、氧化还原电位、离子浓度、生物膜电特性的研究、细菌生长的检测、酶促反应及免疫反应等。

LAPS传感器广泛应用的前提是能够准确测量其输出的微弱光电流信号。目前，实验室已经成功研制出基于EIS结构的光寻址电位传感器，而下一步是设计一种可用于该传感器的微弱光电流信号检测装置。微弱电流信号的检测就是利用电子技术和信号处理技术，分析被测信号的特性以及噪声产生的原因，检测出被噪声淹没的微弱信号。

传统的从噪声中提取微弱信号的有效方法包括窄带滤波、同步累积、取样积分、锁相放大等。其中最常用的是锁相放大法。

锁相放大器是以相干检测技术为基础，主要包括信号通道1、参考通道2和相敏检波3等，被测信号和参考信号分别通过信号通道和参考通道后，输出给相敏检波模块；如图1所示。对于锁相放大器，申请号为200510011984.4名称为小型锁相放大器的数字控制电路及方法的发明专利，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；申请号为201110236391.3名称为一种数字锁相放大器和数字锁相控制方法的发明专利，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；申请号为201110029206.3名称为一种数字锁相放大器的发明专利，采用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。

对于商业化锁相放大器，目前国内做得比较好的单位是南京大学，其生产的HB-824型四通道nA级电流放大器、HB-834型四通道pA级电流放大器、HB-214型四通道双相锁相放大器等系列产品已经被广泛应用于微弱电流检测领域。而国外微弱电流检测领域的发展水平要比国内先进的多，美国吉时利(Keithley)仪器公司的6430型亚fA远程源表的电流测量精度为0.4fA。然而这些商业化产品虽然性能优越，但是其体积大、价格昂贵，难以应用于便携式仪器中。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，具体为：

一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，包括信号通道、参考通道和相敏检波、被测信号和参考信号分别通过信号通道和参考通道后，输出给相敏检波模块；还包括低通滤波模块，相敏检波模块输出给低通滤波模块；信号通道包括I/V转换电路、三级放大电路、交流耦合；I/V转换电路、三级放大电路和交流耦合顺次相连。

交流耦合主要用来抑制直流误差，滤除放大器产生的直流偏置。多级放大电路是为了在保证信号带宽的情况下对电压信号进行高增益的放大，同时引入较少的噪声保证系统的灵敏度。

为了对信号更好的进行隔离缓冲，减小噪声干扰：

优选的，在I/V转换电路和三级放大电路之间设置有电压跟随器。

进一步优选的，电压跟随器为高阻抗电压跟随器。

在本电路中，由于电压跟随器输入阻抗高，它可以隔离I/V转换输出的电流对后面放大电路的影响。输入阻抗一般为1K欧姆到100K欧姆。

优选的，多级放大电路是两级放大电路、三级放大电路或者是更多级的放大电路。

进一步优选的，三级放大电路包括第一级放大模块、第二级放大模块、第三级放大模块；第一级放大模块、第二级放大模块和第三级放大模块依次连接。

为了滤除高频噪声，改善信噪比：

更进一步优选的，在第一级放大模块和第二级放大模块之间设置有低通滤波器。

更进一步优选的，第一级放大模块为低噪声、低偏置电流的高性能放大器。

这样的目的是可以减小引入的噪声，以提高系统灵敏度。

更进一步优选的，第二级放大模块和第三级放大模块的结构一样，包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；第二级放大模块的输入Vin1接第一电阻的一端和第二运算放大器的反向输入端；第一电阻的另一端接第一运算放大器的反相输入端和第二电阻的一端；第二电阻的另一端接第一运算放大器的输出和第二运算放大器的正向输入端；第一运算放大器的正相输入端接第三电阻的一端和第四电阻的一端；第三电阻的另一端接地；第四电阻的另一端接第二级放大模块的输出Vout1。

这里采用双运放的特殊电路结构在增益不变的前提下来提高带宽。

优选的，I/V转换电路模块包括电流电压转化单元和电压跟随单元两部分；输入信号Iin依次连接电流电压转化单元和电压跟随单元。

进一步优选的，电流电压转化单元包括第三运算放大器和反馈电阻；输入信号接第三运算放大器的反相输入端和反馈电阻的一端；第三运算放大器的正相输入端接地；第三运算放大器的输出接反馈电阻；第三运算放大器的输出为电流电压转化单元的输出。

进一步优选的，电压跟随单元包括第四运算放大器，第四运算放大器的正相输入端为电压跟随单元的输入端；第四运算放大器的输出接第四运算放大器的反相输入端；第四运算放大器的输出作为I/V转换电路的输出端。

本发明具有以下优点：

实现了对微弱光电流信号的检测，本发明可检测的输入电流范围大，频率响应范围宽，线性度好、成本低、电路结构简单，具有较高的使用价值。

附图说明

图1现有的锁相放大器示意图。

图2本发明一种检测微弱光电流信号的锁相放大器示意图。

图3本发明一种检测微弱光电流信号的锁相放大器的信号通道示意图。

图4本发明一种检测微弱光电流信号的锁相放大器的三级放大模块示意图。

图5本发明一种检测微弱光电流信号的锁相放大器的第二级放大模块示意图。

图6本发明一种检测微弱光电流信号的锁相放大器的I/V转换电路示意图。

图7本发明的输出电压与待测电流之间的关系图。

图8本发明的信号通道增益为1e6时系统波特图。

图9本发明的强噪声下输出电压与待测电流的关系图。

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、完整地说明。

锁相放大器是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，从被测信号中提取出与参考信号同频率同相位的信号。锁相放大器可以分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器，根据锁相放大器中相敏检波器的个数还可以分为单相锁相放大器和双相锁相放大器。模拟锁相放大器具有电路结构简单、响应速度快等优点。另外，考虑到降低成本，在本发明中采用了模拟单相锁相放大器，如图2本发明一种检测微弱光电流信号的锁相放大器示意图所示，除了信号通道1、参考通道2和相敏检波3之外，本发明增加了低通滤波4模块，目的是：用于滤除相敏检波3输出信号中含有的高频分量，只输出直流电压信号。

信号通道1把输入的被测信号初步处理后，输给相敏检波3的一端。参考通道2在参考信号的触发下，输出相位可调的、与输入信号同频的占空比1∶1的方波。相敏检波3实现两路信号相乘后经低通滤波器输出直流信号，其幅度与两路输入信号幅度以及它们的相位差成比例。理论计算如下：

设输入信号为：

x(t)＝V_icos(ω₀t+θ) (1)

式中Vi、ω0分别表示被测信号的幅度和角频率，θ为被测信号和参考信号之间的相位差。设参考输入信号r(t)是幅度为±Vr的方波，其周期为T，角频率为ω0＝2π/T。

根据傅里叶变换的方法，该参考信号展开如下：

式(2)中，m为谐波次数，是正整数。a0为其直流分量，am、bm分别为其余弦分量和正弦分量的傅里叶系数。各系数计算公式如下：

式(3)至(5)只是在区间-T/2～T/2上进行积分，实际在任意一个周期T内积分的结果相同。由图3可知，直流分量a0＝0，而且正弦分量傅里叶系数bm＝0，余弦分量am计算如下：

由式(6)可知，当m为偶数时，sin(mπ/2)＝0；当m为奇数时，sin(mπ/2)＝±1。令m＝2n-1，n为正整数，则：

联合式(1)和式(8)可得：

式(9)中，第一项为差频项，第二项为和频项。经过低通滤波器处理后，n大于1的差频项和所有的和频项均被滤除，只剩n＝1的差频项。因此,

从式(10)可知，输出电压u0(t)与参考信号和输入信号的幅值以及两个信号之间的相位差有关。在已知参考信号幅值，两信号的相位差和输入信号幅值的情况下，可以准确的计算出待测信号的幅度Vs。当θ＝0时，即待测信号与被测信号之间不存在相位差，则可以得到最大的输出电压。当参考信号幅值为1时，更易于计算出待测电压，有利于提高测量准确度。

同时，本发明对信号通道1进行了优化和改进，如图3本发明一种检测微弱光电流信号的锁相放大器的信号通道示意图。依信号的输入顺序本发明的信号通道1包括I/V转换电路21、电压跟随器22、三级放大电路23、交流耦合24。需要说明的是电压跟随器22并不是必须的，但是为了对信号更好的进行隔离缓冲，减小噪声干扰可以增加电压跟随器22。LAPS传感器的微弱光电流信号通过I/V转换电路21将其转换成电压信号进行检测。转换后的电压信号再通过三级放大电路进行放大处理。该系统中，需要对电压信号放大到后续电路能进行处理的程度，但同时也放大了系统噪声和直流误差。而交流耦合24主要用来抑制直流误差，滤除放大器产生的直流偏置。多级放大电路23是为了在保证信号带宽的情况下对电压信号进行高增益的放大，同时引入较少的噪声保证系统的灵敏度。这里的多级放大电路23可以是两级放大电路、三级放大电路或者是更多级的放大电路。本发明优选的采用三级放大电路。

如图4本发明一种检测微弱光电流信号的锁相放大器的三级放大模块示意图。依信号的输入顺序本发明的三级放大电路包括第一级放大模块231、低通滤波器232、第二级放大模块233、第三级放大模块234。需要说明的是低通滤波器232并不是必须的，这里增加低通滤波器232的好处是滤除高频噪声，改善信噪比。第一级放大模块231采用低噪声、低偏置电流的高性能放大器；这样可以减小引入的噪声，以提高系统灵敏度。第一级放大模块231采用通用的电路结构，在这里就不在详细介绍了。

第二级放大模块233和第三级放大模块234主要实现高增益的目的。为了保证该系统的带宽要求，因而采用高带宽的集成运放；另外，设计特殊的电路结构以提高系统带宽。第二级放大模块233和第三级放大模块234的增益设置最高为100倍，由于集成运算放大器的增益带宽积为定值，当增益较大时，势必会造成系统带宽较窄。因此，这两级放大器设计时需要考虑系统带宽要求。在本电路中，除了通过选用宽带放大器作为运放芯片，还通过采用双运放的特殊电路结构在增益不变的前提下来提高带宽。第二级放大模块233和第三级放大模块234采用相同的电路结构。

如图5本发明一种检测微弱光电流信号的锁相放大器的第二级放大模块示意图。包括第一运算放大器2331、第二运算放大器2332、第一电阻2333、第二电阻2334、第三电阻2335和第四电阻2336；第二级放大模块的输入Vin1接第一电阻2333的一端和第二运算放大器2332的反向输入端；第一电阻2333的另一端接第一运算放大器2331的反相输入端和第二电阻2334的一端；第二电阻2334的另一端接第一运算放大器2331的输出和第二运算放大器2332的正向输入端；第一运算放大器2331的正相输入端接第三电阻2335的一端和第四电阻2336的一端；第三电阻2335的另一端接地；第四电阻2336的另一端接第二级放大模块的输出Vout1。这里采用双运放的特殊电路结构在增益不变的前提下来提高带宽。

如图6本发明一种检测微弱光电流信号的锁相放大器的I/V转换电路示意图。输入信号Iin(即被测电流)自微电流信号源；I/V转换电路模块包括电流电压转化单元21A和电压跟随单元21B两部分。输入信号Iin依次连接电流电压转化单元21A和电压跟随单元21B。

具体的，电流电压转化单元21A包括第三运算放大器211和反馈电阻213；输入信号Iin接第三运算放大器211的反相输入端和反馈电阻213的一端；第三运算放大器211的正相输入端接地；第三运算放大器211的输出接反馈电阻213；第三运算放大器211的输出为电流电压转化单元21A的输出。

电压跟随单元21B包括第四运算放大器212，第四运算放大器212的正相输入端为电压跟随单元21B的输入端；第四运算放大器212的输出接第四运算放大器212的反相输入端；第四运算放大器212的输出作为I/V转换电路的输出端Vout2。

被测电流Iin来自微电流信号源，对于输入阻抗和放大倍数均为无穷大的理想运算放大器，可以认为运算放大器输入端的偏置电流IB对被测电流Iin的分流近似等于零，这样流过反馈电阻213的电流If近似等于被测电流Iin。再考虑到极性关系，第三运算放大器211的输出电压Vo＝-IinR213。说明这里的R213是反馈电阻213的阻值。由此可以看出，即使被测电流很小，只要反馈电阻213取值足够大，仍可得到较大的可观测的输出电压。

为了提高微弱电流测量的灵敏度，首先考虑到的是增大反馈电阻。另外，影响微弱电流测量灵敏度的主要因素是运算放大器的偏置电流，偏置电流越小灵敏度越高，其次是噪声水平和漂移。实现电流电压转换的运算放大器应该满足以下条件：高输入阻抗(InputImpedance)、高共模抑制比(Common-Mode Rejection Ratio)、低偏置电流(BiasCurrent)、低噪声(Noise Density)、低失调电压(Offset Voltage)，低漂移(OffsetVoltage Drift)。因此这里的第三运算放大器211和第四运算放大器212采用了AD8652AR芯片。

根据本发明的前述介绍，对其进行性能测试可以得到图7-图9。其中由图7本发明的输出电压与待测电流之间的关系图可以看出本发明的灵敏度高，灵敏度相对误差绝对值最大为3.38％。

由图8本发明的信号通道增益为1e6时系统波特图可以分析可知，当信号通道增益设置为1e6时，-3dB截止频率约为1.2MHz，带宽为1kHz～1.2MHz。改变信号通道增益为1e5、1e4时，按照上述实验步骤由于系统中低通滤波器的作用，-3dB截止频率都限制在1.2MHz左右。由此可知本发明的带宽的范围大。

由图9本发明的强噪声下输出电压与待测电流的关系图可以发现：待测信号幅值从0～2V增加，即待测电流幅值从0～200μA增加，系统仍具有较好的线性度。

与现有技术相比，本发明的优点是：

实现了对微弱光电流信号的检测，本发明可检测的输入电流范围宽，频率响应范围大，线性度好、成本低、电路结构简单，具有较高的使用价值。

Claims (10)

1.一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，包括信号通道、参考通道和相敏检波，被测信号和参考信号分别通过信号通道和参考通道后，输出给相敏检波；其特征在于：所述锁相放大器还包括低通滤波模块，相敏检波模块输出给低通滤波模块；所述信号通道包括I/V转换电路、三级放大电路、交流耦合；I/V转换电路、三级放大电路和交流耦合顺次相连。

2.如权利要求1所述的一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，其特征在于：在I/V转换电路和三级放大电路之间设置有电压跟随器。

3.如权利要求1所述的一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，其特征在于：所述多级放大电路是两级放大电路、三级放大电路或者是更多级的放大电路。

4.如权利要求3所述的一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，其特征在于：所述三级放大电路包括第一级放大模块、第二级放大模块、第三级放大模块；第一级放大模块、第二级放大模块和第三级放大模块依次连接。

5.如权利要求4所述的一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，其特征在于：所述第一级放大模块为低噪声、低偏置电流的高性能放大器。

6.如权利要求4所述的一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，其特征在于：在第一级放大模块和第二级放大模块之间设置有低通滤波器。

7.如权利要求4所述的一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，其特征在于：所述第二级放大模块和第三级放大模块的结构一样；包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；第二级放大模块的输入接第一电阻的一端和第二运算放大器的反向输入端；第一电阻的另一端接第一运算放大器的反相输入端和第二电阻的一端；第二电阻的另一端接第一运算放大器的输出和第二运算放大器的正向输入端；第一运算放大器的正相输入端接第三电阻的一端和第四电阻的一端；第三电阻的另一端接地；第四电阻的另一端接第二级放大模块的输出。

8.如权利要求1所述的一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，其特征在于：I/V转换电路模块包括电流电压转化单元和电压跟随单元两部分；输入信号依次连接电流电压转化单元和电压跟随单元。

9.如权利要求8所述的一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，其特征在于：所述电流电压转化单元包括第三运算放大器和反馈电阻；输入信号接第三运算放大器的反相输入端和反馈电阻的一端；第三运算放大器的正相输入端接地；第三运算放大器的输出接反馈电阻；第三运算放大器的输出为电流电压转化单元的输出。

10.如权利要求8所述的一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，其特征在于：所述电压跟随单元包括第四运算放大器，第四运算放大器的正相输入端为电压跟随单元的输入端；第四运算放大器的输出接第四运算放大器的反相输入端；第四运算放大器的输出作为I/V转换电路的输出端。