CN107425850A - 一种serf原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器，包括输入信号通道、参考信号通道、基于FPGA的数字相关解调模块、数/模转换输出模块、上位机模块；输入信号经过输入信号通道放大、滤波、模/数转换后，得到的数字信号进入现场可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array，FPGA)进行数字相关解调，数字相关解调模块为双通道，同时解调输入信号中的基频分量和二倍频分量的幅值，经过乘法、滤波、运算后分别得到包含基频分量幅值和二倍频分量幅值的平方和结果，经过串口送入上位机模块进行开方运算并显示最后结果，上位机模块控制FPGA，将结果通过数/模转换电路输出。本发明优化了双通道数字锁相放大算法，仅使用两个乘法器，即可实现双频复合信号的同时解调。

Description

一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器
技术领域
本发明涉及信号处理的技术领域，具体涉及一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器。
背景技术
锁相放大器相对于其他的微弱信号检测方法，具有更高的稳定性和灵活性。锁相放大器利用信号的相关性来提取信号，相关性检测可以最大限度的压缩带宽，抑制噪声。传统的锁相放大器采用模拟元器件来实现，但这样会引进更多的噪声。目前，数字锁相放大器得到越来越多的应用。
但对于SERF原子自旋陀螺仪，其原子自旋进动角由光弹调制检测法获得，其中光弹调制器的输出信号为多频复合信号，且解调目标为基频分量和二倍频分量的幅值，现有市面上通用的数字锁相放大器如SR830、HF2LI等体积过大，结构复杂，不适合SERF原子自旋陀螺仪的小型化和集成化，因此应研制合适的SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有数字锁相放大器的不足，提出一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器，包括输入信号通道、参考信号通道、基于FPGA的数字相关解调模块、上位机模块、数/模转换输出模块，其中输入信号通道包含仪器放大电路、低通滤波器、高通滤波器、模数转换电路四个子模块，分别对输入信号进行放大、滤波和模数转换，参考信号通道将来自外部的正弦信号转换成方波信号，并分压成可被FPGA直接检测的电平为3.3V的方波信号，数字化后的输入信号和参考信号进入基于FPGA的数字相关解调模块，进行乘法、滤波和一系列的运算之后，得到的平方和结果通过串口送入上位机模块进行开方运算，上位机模块由LabVIEW搭建，得到的一次谐波和二次谐波的幅值在上位机模块里显示，并通过串口发回FPGA，控制数/模转换输出电路进行结果输出。
更进一步的，基于FPGA的数字相关解调模块，采用等精度测频法得到参考信号的频率，送入直接频率合成(DDS)模块生成和输入信号基频ω相等的正弦参考信号sin(ωt)和余弦参考信号cos(ωt)，乘法器将输入信号和参考信号分别相乘，得到的信号里包含直流分量、频率分别为ω、2ω、3ω的分量，使用低通滤波器和中心频率ω的带通滤波器，分别保留含有一次谐波幅值的直流分量和含有二次谐波幅值的频率为ω的交流分量，然后对其进行平方和运算，再将结果通过串口送入上位机模块，进行后续步骤。
本发明的原理是：输入信号中频率为ω的基频分量和频率为2ω的二倍频分量，和参考信号sin(ωt)以及cos(ωt)分别相乘后，得到的结果如下所示：
通过低通滤波器和中心频率为ω的带通滤波器后，得到结果：
其中，V1和θ1是一次谐波的幅值和初始相位，V2和θ2是二次谐波的幅值和初始相位，I1、Q1、I2、Q2分别是两个低通滤波器和两个带通滤波器的输出结果。
对信号进行平方和、开平方运算，同时得到输入双频信号的基频分量和二倍频分量的幅值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明和传统锁相放大器相比，进行双通道解调运算时，只使用了两个乘法器，并在解调二倍频信号时用带通滤波器代替低通滤波器，简化了锁相放大器的算法和结构。
(2)本发明基于FPGA，充分利用了FPGA在数字电路设计方面的优势，简化电路结构，减小电路体积，提出了一种双通道数字锁相放大器。
总之，本发明提出的这种锁相放大器，可以同时检测多频复合信号中的基频分量和二倍频分量的幅值，且算法和电路得到优化和简化。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图，其中，11为输入信号通道，12为参考信号通道，13为基于FPGA的数字相关解调模块，14位上位机模块，15为数/模转换输出模块；
图2为本发明的基于FPGA的数字相关解调模块，其中，21为时钟分频，22为测频率模块，23为DDS模块，24为高通滤波器，25为乘法器，26为滤波模块，27为平方和模块，①为低通滤波模块，②为IIR带通滤波器，i为CIC降采样滤波器，ii为FIR低通滤波器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明一种双通道数字锁相放大器，包括输入信号通道11、参考信号通道12、基于FPGA的数字相关解调模块13、上位机模块14和数/模转换输出模块15，其中输入信号通道11包含仪器放大电路、低通滤波器、高通滤波器、模数转换电路四个子模块，分别对输入信号进行放大、滤波和模数转换，参考信号通道12将来自外部的正弦信号转换成方波信号，并分压成可被FPGA直接接受的电平为3.3V的方波信号，数字化后的输入信号和参考信号进入基于FPGA的数字相关解调模块13，进行乘法、滤波和一系列的运算之后，得到的平方和结果通过串口送入上位机模块14进行开方运算，上位机模块由LabVIEW搭建，得到的一次谐波和二次谐波的幅值在这里显示，并通过串口发回FPGA，控制数/模转换输出模块15进行结果输出。
如图2所示为数字相关解调模块的组成框图，整个模块是由位时钟分频21，测频率模块22、DDS模块23、高通滤波器24、乘法器25、滤波模块26、平方和模块27组成，其中滤波模块26包含低通滤波模块①、IIR带通滤波器②，低通滤波模块包含CIC降采样滤波器i、FIR低通滤波器ii，时钟分频21将数字电路晶振分频，转换成数模转换器等需要的工作频率，测频率模块检测参考信号的频率，生成频率控制字，送入DDS模块生成核参考信号同频率的正弦波和余弦波作为参考信号，输入信号经过高通滤波器，滤除由模/数转换器带来的直流分量，和参考信号分别相乘，通过滤波模块得到所需分量，再进行平方和运算，结果经过串口送入上位机模块中。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器，其特征在于：包括输入信号通道(11)、参考信号通道(12)、基于FPGA的数字相关解调模块(13)、上位机模块(14)和数/模转换输出模块(15)，其中输入信号通道(11)包含仪器放大电路、低通滤波器、高通滤波器、模/数(A/D)转换电路四个子模块，分别对输入信号进行放大、滤波和模/数转换，参考信号通道(12)将来自光弹调制器的正弦信号转换成方波信号，并分压成可被FPGA直接接受的电平为3.3V的方波信号，数字化后的输入信号和参考信号进入基于FPGA的数字相关解调模块(13)，进行乘法、滤波和一系列的运算之后，得到的平方和结果通过串口送入上位机模块(14)进行开发运算，上位机模块由LabVIEW搭建，得到的一次谐波和二次谐波的幅值在这里显示，并通过串口发回FPGA，控制数/模转换输出模块(15)进行结果输出。
2.根据权利要求1所述的一种SERF原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器，其特征在于：输入信号为多频复合信号，且解调目标为基频分量和二倍频分量，即目标信号的频率分别为ω和2ω；基于FPGA进行数字相关解调运算，使用频率等于输入信号基频ω的正弦信号和余弦信号作为参考信号，分别与输入信号相乘，乘法器后接两个低通滤波器和两个中心频率为ω的带通滤波器，分别得到含有一次谐波幅值和二次谐波幅值的分量，以进行后续运算，得到目标信号的幅值。
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