CN108398658A - 一种自动频率控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动频率控制装置及方法，该装置包括：信号分配模块、预处理模块、反馈处理模块和波源控制模块；信号分配模块对目标幅度调制信号进行信号分配，得到一路目标调幅信号；预处理模块对所述目标调幅信号进行滤波和放大处理，得到预处理信号；反馈处理模块对所述预处理信号进行信号转换，得到波源控制信号，所述反馈处理模块采用FPGA结构；波源控制模块通过所述波源控制信号对波源频率进行校正，将所述波源频率校正至谐振腔频率，其中，所述波源控制模块采用FPGA结构或者采用数模转换器结构。通过本发明实现了降低自动频率控制装置成本和提高精确度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及自动频率控制技术领域，特别是涉及一种自动频率控制装置及方法。
背景技术
电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance，EPR)技术被广泛应用于研究顺磁物质的结构、动力学和空间分布。微波桥是EPR谱仪的重要组成部分，由微波桥中发射极产生微波激励信号，由微波桥中的接收机接收与样品作用后的激励信号。在连续波EPR实验时通常要求微波桥中波源频率与谐振腔谐振频率一致。但是，由于连续波EPR实验时外磁场连续变化，微波信号与样品相互作用会导致谐振腔与样品组成的系统的谐振频率发生变化。此外，谐振腔腔体温度、谐振腔外部振动和谐振腔内部活体样品扰动等因素，均会影响腔的谐振频率。因此需要在微波桥中加入自动频率控制装置以保证实验过程中波源频率与谐振腔谐振频率一致。
传统的自动频率控制装置一般由各种不同功能的独立芯片搭建而成，但是各个芯片本身的电阻、电容、电感等参数易受到外部环境因素的影响，使得模拟模块的设计更加难以保证稳定的性能。例如，基于频谱搬移的波源需要由压控振荡器、频综器、混频器和带通滤波器组成，导致波源成本高昂，占据空间较大，各部件之间的信号线连接复杂。同时，各个部件供电要求也不同，需连接至不同的供电电源，导致电源线连接也较为混乱。反馈控制部分由各类型IC芯片搭建而成，装置性能受到模拟器件性能的影响，而模拟器件存在零漂、易饱和以及精度差的缺点。同时由于模拟模块存在的运算放大器失调电压和波形发生器的偏置电压致AFC(Automatic Frequency Control，自动频率控制)锁定之后存在波源频率与谐振频率之间的偏差。
发明内容
针对于上述问题，本发明提供一种自动频率控制装置及方法，实现了降低自动频率控制装置成本和提高精确度的目的。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种自动频率控制装置，所述装置包括：信号分配模块、预处理模块、反馈处理模块和波源控制模块；
所述信号分配模块，用于对目标幅度调制信号进行信号分配，得到一路目标调幅信号，其中，所述目标幅度调制信号为电子顺磁共振谱仪的微波桥产生的信号，所述目标调幅信号为包括谐振腔信息的调幅信号；
所述预处理模块，用于对所述目标调幅信号进行滤波和放大处理，得到预处理信号；
所述反馈处理模块，用于对所述预处理信号进行信号转换，得到波源控制信号，其中，所述反馈处理模块采用FPGA结构；
所述波源控制模块，用于通过所述波源控制信号对波源频率进行校正，将所述波源频率校正至谐振腔频率，其中，所述波源控制模块采用FPGA结构或者采用数模转换器结构。
优选地，所述装置还包括：波源模块、环行器和谐振腔，所述波源模块的输入端与所述波源控制模块的输出端相连，所述波源模块的输出端连接所述环行器的输入端，所述环行器的输出端与所述信号分配模块相连，所述环行器与所述谐振腔相连，所述谐振腔为所述电子顺磁共振谱仪的谐振腔；
所述波源模块，用于接受所述波源控制模块对其频率的调制，生成频率调制信号；并将所述频率调制信号发送至所述环行器；
所述谐振腔，用于接收所述环行器发送的频率调制信号，并对所述频率调制信号进行反射转换为幅度调制信号。
优选地，所述信号分配模块包括：定向耦合器、第一低噪放大器和检波二极管，所述定向耦合器的输入端为所述信号分配模块的输入端，所述定向耦合器的输出端连接所述第一低噪放大器的输入端，所述第一低噪放大器的输出端连接所述检波二极管的输入端；
所述定向耦合器，用于对目标幅度信号进行划分，得到一路初始信号；
所述第一低噪放大器，用于对所述初始信号进行功率调整，并将调整后的初始信号发送至所述检波二极管；
所述检波二极管，用于对所述调整后的初始信号进行检波处理，得到目标调幅信号。
优选地，所述装置还包括：第二低噪放大器和解调器，所述第二低噪放大器的输入端与所述定向耦合器的输出端相连，所述第二低噪放大器的输出端与所述解调器的输入端相连；
所述第二低噪放大器，用于接收所述定向耦合器划分的另一路幅度调制信号，并对所述幅度调制信号进行功率调整，将调整后的幅度调制信号发送至所述解调器；
所述解调器，用于对所述调整后的幅度调制信号进行解调，生成电子顺磁共振信号。
优选地，所述预处理模块包括：高通滤波模块、放大模块、带通滤波模块和模数转换器，所述高通滤波模块的输入端为所述预处理模块的输入端，所述高通滤波模块的输出端连接所述放大模块的输入端，所述放大模块的输出端连接所述带通滤波模块的输入端，所述带通滤波模块的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端为所述预处理模块的输出端；
所述高通滤波模块，用于滤除所述目标调幅信号的直流成份，得到第一信号；
所述放大模块，用于对所述第一信号进行电平调整得到第二信号，其中，所述第二信号的电平满足所述模数转换器的输入电平的预设要求；
所述带通滤波模块，用于将所述第二信号的噪声带宽限制在基波带宽范围内，得到滤波信号；
所述模数转换器，用于将所述滤波信号进行模数转换得到预处理信号。
优选地，所述反馈处理模块包括：乘法模块、第一低通滤波模块、相移模块、PID控制模块、正弦波发生器、加法模块；
所述正弦波发生器的输出端与所述相移模块的输入端相连，所述相移模块用于调整所述正弦波发生器生成的正弦信号的相位，得到参考信号；
所述相移模块的输出端与所述乘法模块的输入端相连，所述乘法模块的输出端与所述第一低通滤波模块的输入端相连，所述乘法模块用于将所述预处理信号与所述参考信号的相乘结果发送至所述低通滤波模块；
所述第一低通滤波模块的输出端与所述PID控制模块的输入端相连，所述PID控制模块的输出端连接所述加法模块的输入端，所述第一低通滤波模块用于滤除所述相乘结果中的交流分量，得到直流分量；
所述加法模块用于将经过所述PID控制模块处理的校正信号与所述正弦波发生器生成的正弦信号进行相加，计算得到所述波源控制信号。
优选地，所述PID控制模块包括：
比例控制子模块、积分控制子模块和微分控制子模块。
优选地，所述波源控制模块包括第一输入端和第二输入端，且所述波源控制模块包括：数模转换器、第二低通滤波模块、命令转换模块，所述第一输入端设置在所述命令转换模块中，所述第二输入端设置在所述数模转换器中，所述数模转换器的输出端与所述第二低通滤波模块的输入端相连，所述命令转换模块的输出端与所述第二低通滤波模块的输出端均与所述波源模块的输入端相连，其中，所述命令转换模块采用FPGA结构；
当所述波源模块为数控类波源时，所述命令转换模块，用于将所述波源控制信号转换为识别指令，其中，所述识别指令作用于所述波源模块，并控制所述波源模块的频率调制、频率校正和设定初始中心频率；
当所述波源模块为压控类波源时，所述数模转换模块，用于将所述波源控制信号转换为模拟信号；
所述第二低通滤波模块，用于将所述模拟信号进行低通滤波得到控制信号，其中，所述控制信号作用于所述波源模块。
一种自动频率控制方法，包括：
对目标幅度调制信号进行信号分配，得到一路目标调幅信号，其中，所述目标幅度调制信号为电子顺磁共振谱仪的微波桥产生的信号，所述目标调幅信号为包括谐振腔信息的调幅信号；
对所述目标调幅信号进行滤波和放大处理，得到预处理信号；
对所述预处理信号进行信号转换，得到波源控制信号；
通过所述波源控制信号对波源频率进行校正，将所述波源频率校正至谐振腔频率。
相较于现有技术，本发明提供的自动频率控制装置包括信号分配模块、预处理模块、反馈处理模块和波源控制模块，其中，反馈控制模块和波源控制模块采用了FPGA结构，即将自动频率控制装置的反馈处理集成于FPGA芯片内部，实现波源频率与谐振腔频率锁定，并且波源控制模块采用了两种结构可以适用于各类数控和压控波源，因此面对不同波源无需做硬件上的改动只需修改FPGA内部逻辑，降低了装置的成本。同时，该装置采用了模块化处理减少了各级模拟电路引入失调电压造成的频率锁定误差进而实现对波源频率的高精度控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种自动频率控制装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种自动频率控制装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的通过FPGA生成离散波形数字码的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种相敏检波模块示意图；
图5为本发明实施例提供的一种PID控制模块的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种自动频率控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
本发明实施例提供了一种自动频率控制装置，参见图1，该装置包括：信号分配模块100、预处理模块200、反馈处理模块300和波源控制模块400；
信号分配模块100，用于对目标幅度调制信号进行信号分配，得到一路目标调幅信号，其中，所述目标幅度调制信号为电子顺磁共振谱仪的微波桥产生的信号，所述目标调幅信号为包括谐振腔信息的调幅信号；
预处理模块200，用于对所述目标调幅信号进行滤波和放大处理，得到预处理信号；
反馈处理模块300，用于对所述预处理信号进行信号转换，得到波源控制信号，其中，所述反馈处理模块采用FPGA结构；
波源控制模块400，用于通过所述波源控制信号对波源频率进行校正，将所述波源频率校正至谐振腔频率，其中，所述波源控制模块采用FPGA结构或者采用数模转换器结构。
具体的，预处理模块200对从微波桥得到携带有谐振腔信息的调幅信号进行方法滤波处理，然后经过反馈处理模块300转换为波源控制信号。波源控制信号经过波源控制模块对波源进行操作，校正其输出频率等于谐振腔谐振频率。
需要说明的是，波源控制模块采用FPGA结构可以控制数控类波源，采用数模转换器结构可以转换为模拟电压信号控制压控类波源，极大地解放了现有自动频率控制技术中对波源类型的限制。
本发明提供的自动频率控制装置包括信号分配模块、预处理模块、反馈处理模块和波源控制模块，其中，反馈控制模块和波源控制模块采用了FPGA结构，即将自动频率控制装置的反馈处理集成于FPGA芯片内部，实现波源频率与谐振腔频率锁定，并且波源控制模块采用了两种结构可以适用于各类数控和压控波源，因此面对不同波源无需做硬件上的改动只需修改FPGA内部逻辑，降低了装置的成本。同时，该装置采用了模块化处理减少了各级模拟电路引入失调电压造成的频率锁定误差进而实现对波源频率的高精度控制。
在本发明实施例中还提供了另一种自动频率控制装置，即为连续波电子顺磁共振谱仪中的集成化自动频率控制装置，参见图2，在该装置中反馈处理模块的全部组件和波源控制模块的部分组件集成在FPGA芯片上，该装置的所有组件集成在PCB(Printed CircuitBoard，印制电路板)上。
该装置还包括：波源模块4、环行器5和谐振腔6，波源模块4的输入端与波源控制模块的输出端相连，波源模块的输出端连接环行器5的输入端，环行器5的输出端与信号分配模块相连，环行器5与谐振腔6相连，谐振腔为电子顺磁共振谱仪的谐振腔；
波源模块4，用于接受所述波源控制模块对其频率的调制，生成频率调制信号；并将所述频率调制信号发送至所述环行器；
谐振腔6，用于接收环行器5发送的频率调制信号，并对所述频率调制信号进行反射转换为幅度调制信号。
由FPGA中的正弦波发生器1根据预存于RAM(Random-Access Memory，随机存取存储器)中的数据产生固定频率的低频正弦信号。该正弦波发生器1属于反馈处理模块。
该正弦信号有两个用途，一部分作为参考信号通过数字乘法模块16与来自模数转换器15的信号相乘，另一部分对波源模块4进行频率调制。波源4可选择数控类波源或者压控类波源。根据波源不同，由FPGA转化为数控类波源能够识别的数字码或者经过DAC转化为模拟电压信号对波源进行频率调制和中心频率设置。其输出的频率调制信号经过环行器5和谐振腔6的反射转化为幅度调制信号。
在图2中，信号分配模块包括：定向耦合器7、第一低噪放大器10和检波二极管11，定向耦合器7的输入端为信号分配模块的输入端，定向耦合器7的输出端连接第一低噪放大器10的输入端，第一低噪放大器10的输出端连接检波二极管11的输入端；
定向耦合器7，用于对目标幅度信号进行划分，得到一路初始信号；
第一低噪放大器10，用于对所述初始信号进行功率调整，并将调整后的初始信号发送至检波二极管11；
检波二极管11，用于对所述调整后的初始信号进行检波处理，得到目标调幅信号。
对应的该装置还包括：第二低噪放大器8和解调器9，第二低噪放大器8的输入端与定向耦合器7的输出端相连，第二低噪放大器8的输出端与解调器9的输入端相连；
第二低噪放大器8，用于接收所述定向耦合器划分的另一路幅度调制信号，并对所述幅度调制信号进行功率调整，将调整后的幅度调制信号发送至解调器9；
解调器9，用于对所述调整后的幅度调制信号进行解调，生成电子顺磁共振信号。
具体的，定向耦合器7将前端的目标幅度信号分成两路，主路通过第二低噪放大器8和解调器9后再由锁相放大器产生连续波EPR(Electron Paramagnetic Resonance，电子顺磁共振)信号，对此路的要求是进入第一低噪放大器10的功率不能使其饱和；定向耦合器7的耦合端连接第一低噪放大器10，然后经过检波二极管11得到幅度调制信号的包络，该信号频率与FPGA产生的正弦信号的频率相同。系统要求耦合端信号进入检波二极管11的功率处于检波二极管11的灵敏区间。因此这种把两路信号分别放大检波的方式使得对功率的不同要求得以实现。
来自检波二极管11的信号需要经过预处理模块后再进入FPGA。
对应的，预处理模块包括：高通滤波模块12、放大模块13、带通滤波模块14和模数转换器15，高通滤波模块12的输入端为预处理模块的输入端，高通滤波模块12的输出端连接放大模块13的输入端，放大模块13的输出端连接带通滤波模块14的输入端，带通滤波模块14的输出端连接模数转换器15的输入端，模数转换器15的输出端为预处理模块的输出端；
高通滤波模块12，用于滤除所述目标调幅信号的直流成份，得到第一信号；
放大模块13，用于对所述第一信号进行电平调整得到第二信号，其中，所述第二信号的电平满足所述模数转换器的输入电平的预设要求；
带通滤波模块14，用于将所述第二信号的噪声带宽限制在基波带宽范围内，得到滤波信号；
模数转换器15，用于将所述滤波信号进行模数转换得到预处理信号。
具体的，预处理模块包含两级滤波电路和一级放大电路。检波二极管11的输出信号中包含了亚伏量级的直流成分和毫伏级的交流信号，因此第一级滤波器的高通滤波模块12被用于滤除直流成份，可采用一阶RC高通滤波设计。因为交流信号非常微弱，因此在进入模数转换器15之前，需要用放大模块13对其进行调整，以满足模数转换器15的输入电平要求，并充分利用模数转换器的满量程分辨率。由于信号中包含各种噪声，共模干扰很大，一般运算放大器难以实现，需要选用集成化的高共模抑制比高精度仪表放大器芯片。第二级滤波器的带通滤波模块14的目的是限制噪声，将噪声带宽限制在基波带宽范围内，可采用二阶有源带通滤波器设计。
反馈处理模块包括：乘法模块16、第一低通滤波模块17、相移模块18、PID控制模块19、正弦波发生器1、加法模块2；
正弦波发生器1的输出端与相移模块18的输入端相连，相移模块18用于调整正弦波发生器1生成的正弦信号的相位，得到参考信号；
相移模块18的输出端与乘法模块16的输入端相连，乘法模块16的输出端与第一低通滤波模块17的输入端相连，乘法模块16用于将所述预处理信号与所述参考信号的相乘结果发送至第一低通滤波模块17；
第一低通滤波模块17的输出端与PID控制模块19的输入端相连，PID控制模块19的输出端连接加法模块2的输入端，第一低通滤波模块17用于滤除所述相乘结果中的交流分量，得到直流分量；
加法模块2用于将经过所述PID控制模块处理的校正信号与所述正弦波发生器生成的正弦信号进行相加，计算得到所述波源控制信号。
具体的，通过模数转换器(ADC)15得到的预处理信号与存于RAM中的低频正弦信号通过乘法模块16也就是数字乘法器进行相乘操作。此时需要保证ADC 15的采样率与RAM存储的正弦波数据的采样率相同。正弦信号信号与待处理信号相乘结果经过第一低通滤模块17滤除交流分量，得到直流分量。该直流分量包含了波源频率与腔谐振频率相对偏差的信息。当波源频率大于或者小于谐振腔谐振频率时，该直流成分极性相反。由于谐振腔对不同频率成分的相移不同，需要在参考信号与待处理信号相乘之前增加对参考信号相位移动的操作，可用于调整参考信号的相位。在出厂设置中，可将波源4频率人为设定相较谐振腔谐振频率偏大或偏小，然后调节数字移相器也就是相移模块18，使经过第一低通滤模块17后的直流分量绝对值达到最大，极性分别为负或正。然后由数字PID控制模块19对该信号进行累加处理，从而得到AFC校正信号。该校正信号与FPGA内部RAM存储的低频正弦波信号经过加法模块2相加计算得到波源控制信号。
对应的，参见图3，在本发明的实施例中可以通过C语言或Matlab语言产生正弦波信号，然后将该数据配置到FPGA分配的RAM中。通过相位累加器一直累加，根据累加器的值作为RAM的地址，从而得到离散的波形数字码。正弦波的采样率应与ADC的采样率保持一致。通过调整相位累加器，可以实现移相器的功能。
参见图4为本发明实施例提供的一种相敏检波模块的示意图，数字相敏检波模块可以由乘法模块16和第一低通滤模块17组成。通过预处理电路之后的信号经过ADC的采样与RAM产生的低频正弦信号相乘，相乘后经过低通滤波保留直流分量，消除交流分量。只要参考信号前端的移相器相位调整得合适，使得参考信号与被测信号的相位差为0度或者180度，便可以得到被测信号的各项参数。
在本发明实施例中，对低通滤波的要求是：截止频率低，过渡带快，通带内增益接近1，阻带内增益接近0，在满足精度要求的情况下阶数尽量低，以使滤波器的运算速度快。以窗函数法为例介绍低通滤波器的设计。设窗函数为凯塞窗，采样频率为fs，通带截止频率为fc、阻带起始频率为fa、通带纹波为δp和阻带纹波为δa，则FIR滤波器的阶数计算如下，
对于AFC而言，假设内部振荡信号频率等于77kHz，采样频率fs＝770kHz，通带截止频率为fc＝1kHz、阻带起始频率为fa＝10kHz、通带纹波δp＝0.001和阻带纹波为δa＝0.001。此时FIR滤波器的阶数为406。
在本发明实施例中，PID控制模块包括：比例控制子模块、积分控制子模块和微分控制子模块。
具体的，参见图5，可以通过调节放大系数KP、积分系数KI和微分系数KD，使整个控制系统获得良好的性能。数字化PID控制是通过将模拟PID离散化，根据采样时刻的偏差来实现数字PID算法。
式中，
u(0)——控制量的基值；
u(k)——第k个采样时刻的控制量；
e(j)——第j个采样时刻的误差。
波源控制模块包括第一输入端和第二输入端，且波源控制模块包括：数模转换器3、第二低通滤波模块20、命令转换模块21，第一输入端设置在命令转换模块21中，第二输入端设置在数模转换器3中，数模转换器3的输出端与第二低通滤波模块20的输入端相连，命令转换模块21的输出端与第二低通滤波模块20的输出端均与波源模块的输入端相连，其中，命令转换模块21采用FPGA结构；
当波源模块为数控类波源时，命令转换模块21，用于将波源控制信号转换为识别指令，其中，识别指令作用于波源模块，并控制波源模块的频率调制、频率校正和设定初始中心频率；
当波源模块为压控类波源时，数模转换模块3，用于将波源控制信号转换为模拟信号；
第二低通滤波模块20，用于将模拟信号进行低通滤波得到控制信号，其中，控制信号作用于波源模块。
具体的，根据波源类型不同，存在两种控制方式。一是命令转化模块21将波源控制信号转换为数控类波源模块4能够识别的命令，然后通过各类型通讯接口控制波源模块4频率调制、频率校正和设定初始中心频率；二是经由DAC(数模转换器)3转换为模拟信号，控制压控类波源模块4。DAC 3后端加入第二低通滤波模块20是由于FPGA产生的正弦波是不平滑的离散信号，因此加入截止频率略大于低频正弦信号频率的低通滤波器可以得到平滑的信号。
通过监视数字PID控制模块19后的校正信号，与设定值比较，可以得到波源频率是否与腔谐振正确锁定的信息。该设定值由谐振腔参数的单调性决定。
本发明实施例实现了基于FPGA实现了一种低成本、高集成度、高精确度、高灵活度的自动频率控制装置，用于连续波电子顺磁共振谱仪中实现波源频率与谐振频率的锁定。本发明利用FPGA的可重复编程性，装置参数可实时调控，并且同时适用于数控类波源和压控类波源，保证其灵活性。具体的：由于本发明实施例中工作频率较低，仅为百kHz量级，因此可以采用价格低至约100元的FPGA芯片实现各功能模块，远远低于波形发生芯片、解调芯片、各级运算放大器芯片总计近千元的价格。同时，减少二次开发成本，面对不同条件下微波桥对自动频率控制装置的不同需求，只需修改FPGA内部逻辑，不需要做硬件上的改动。将低频信号产生模块、相敏检波模块和PID控制器模块均集成到FPGA芯片内部。通过上述处理，减少板上信号传递次数和信号失真，降低信号线之间的干扰；减少各级运算放大器引入的噪声和失调电压。同时，FPGA内部集成监控模块，可实时得知频率锁定状态。利用FPGA来产生内部正弦波、实现反馈信号的相敏检波、低通滤波和PID控制。基于FPGA现场可编程的特性，可以非常方便地根据微波桥的特性修改各组件参数设置，或者直接更新模块，从而减少模拟电路中使用变阻器或者更换电阻电容所引起的不确定性。另外，由于引入FPGA作为主要核心芯片，本发明装置能够控制数控类波源，或者经DAC转化为模拟电压信号控制压控类波源，极大地解放了现有自动频率控制技术中对波源类型的限制。将主要反馈电路数字化，避免了模拟电路易饱和，线性范围小，温漂大等缺点。利用数字码以及高位数DAC实现对波源频率的高精度控制。同时，本发明实施例减小了由各级模拟电路引入失调电压造成的频率锁定误差。
在本发明实施例中还提供了一种自动频率控制方法，参见图6，该方法可以包括以下步骤：
S11、对目标幅度调制信号进行信号分配，得到一路目标调幅信号，其中，所述目标幅度调制信号为电子顺磁共振谱仪的微波桥产生的信号，所述目标调幅信号为包括谐振腔信息的调幅信号；
S12、对所述目标调幅信号进行滤波和放大处理，得到预处理信号；
S13、对所述预处理信号进行信号转换，得到波源控制信号；
S14、通过所述波源控制信号对波源频率进行校正，将所述波源频率校正至谐振腔频率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种自动频率控制装置，其特征在于，所述装置包括：信号分配模块、预处理模块、反馈处理模块和波源控制模块；
所述信号分配模块，用于对目标幅度调制信号进行信号分配，得到一路目标调幅信号，其中，所述目标幅度调制信号为电子顺磁共振谱仪的微波桥产生的信号，所述目标调幅信号为包括谐振腔信息的调幅信号；
所述预处理模块，用于对所述目标调幅信号进行滤波和放大处理，得到预处理信号；
所述反馈处理模块，用于对所述预处理信号进行信号转换，得到波源控制信号，其中，所述反馈处理模块采用FPGA结构；
所述波源控制模块，用于通过所述波源控制信号对波源频率进行校正，将所述波源频率校正至谐振腔频率，其中，所述波源控制模块采用FPGA结构或者采用数模转换器结构。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：波源模块、环行器和谐振腔，所述波源模块的输入端与所述波源控制模块的输出端相连，所述波源模块的输出端连接所述环行器的输入端，所述环行器的输出端与所述信号分配模块相连，所述环行器与所述谐振腔相连，所述谐振腔为所述电子顺磁共振谱仪的谐振腔；
所述波源模块，用于接受所述波源控制模块对其频率的调制，生成频率调制信号；并将所述频率调制信号发送至所述环行器；
所述谐振腔，用于接收所述环行器发送的频率调制信号，并对所述频率调制信号进行反射转换为幅度调制信号。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号分配模块包括：定向耦合器、第一低噪放大器和检波二极管，所述定向耦合器的输入端为所述信号分配模块的输入端，所述定向耦合器的输出端连接所述第一低噪放大器的输入端，所述第一低噪放大器的输出端连接所述检波二极管的输入端；
所述定向耦合器，用于对目标幅度信号进行划分，得到一路初始信号；
所述第一低噪放大器，用于对所述初始信号进行功率调整，并将调整后的初始信号发送至所述检波二极管；
所述检波二极管，用于对所述调整后的初始信号进行检波处理，得到目标调幅信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：第二低噪放大器和解调器，所述第二低噪放大器的输入端与所述定向耦合器的输出端相连，所述第二低噪放大器的输出端与所述解调器的输入端相连；
所述第二低噪放大器，用于接收所述定向耦合器划分的另一路幅度调制信号，并对所述幅度调制信号进行功率调整，将调整后的幅度调制信号发送至所述解调器；
所述解调器，用于对所述调整后的幅度调制信号进行解调，生成电子顺磁共振信号。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预处理模块包括：高通滤波模块、放大模块、带通滤波模块和模数转换器，所述高通滤波模块的输入端为所述预处理模块的输入端，所述高通滤波模块的输出端连接所述放大模块的输入端，所述放大模块的输出端连接所述带通滤波模块的输入端，所述带通滤波模块的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端为所述预处理模块的输出端；
所述高通滤波模块，用于滤除所述目标调幅信号的直流成份，得到第一信号；
所述放大模块，用于对所述第一信号进行电平调整得到第二信号，其中，所述第二信号的电平满足所述模数转换器的输入电平的预设要求；
所述带通滤波模块，用于将所述第二信号的噪声带宽限制在基波带宽范围内，得到滤波信号；
所述模数转换器，用于将所述滤波信号进行模数转换得到预处理信号。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反馈处理模块包括：乘法模块、第一低通滤波模块、相移模块、PID控制模块、正弦波发生器、加法模块；
所述正弦波发生器的输出端与所述相移模块的输入端相连，所述相移模块用于调整所述正弦波发生器生成的正弦信号的相位，得到参考信号；
所述相移模块的输出端与所述乘法模块的输入端相连，所述乘法模块的输出端与所述第一低通滤波模块的输入端相连，所述乘法模块用于将所述预处理信号与所述参考信号的相乘结果发送至所述低通滤波模块；
所述第一低通滤波模块的输出端与所述PID控制模块的输入端相连，所述PID控制模块的输出端连接所述加法模块的输入端，所述第一低通滤波模块用于滤除所述相乘结果中的交流分量，得到直流分量；
所述加法模块用于将经过所述PID控制模块处理的校正信号与所述正弦波发生器生成的正弦信号进行相加，计算得到所述波源控制信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述PID控制模块包括：
比例控制子模块、积分控制子模块和微分控制子模块。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述波源控制模块包括第一输入端和第二输入端，且所述波源控制模块包括：数模转换器、第二低通滤波模块、命令转换模块，所述第一输入端设置在所述命令转换模块中，所述第二输入端设置在所述数模转换器中，所述数模转换器的输出端与所述第二低通滤波模块的输入端相连，所述命令转换模块的输出端与所述第二低通滤波模块的输出端均与所述波源模块的输入端相连，其中，所述命令转换模块采用FPGA结构；
当所述波源模块为数控类波源时，所述命令转换模块，用于将所述波源控制信号转换为识别指令，其中，所述识别指令作用于所述波源模块，并控制所述波源模块的频率调制、频率校正和设定初始中心频率；
当所述波源模块为压控类波源时，所述数模转换模块，用于将所述波源控制信号转换为模拟信号；
所述第二低通滤波模块，用于将所述模拟信号进行低通滤波得到控制信号，其中，所述控制信号作用于所述波源模块。
9.一种自动频率控制方法，其特征在于，包括：
对目标幅度调制信号进行信号分配，得到一路目标调幅信号，其中，所述目标幅度调制信号为电子顺磁共振谱仪的微波桥产生的信号，所述目标调幅信号为包括谐振腔信息的调幅信号；
对所述目标调幅信号进行滤波和放大处理，得到预处理信号；
对所述预处理信号进行信号转换，得到波源控制信号；
通过所述波源控制信号对波源频率进行校正，将所述波源频率校正至谐振腔频率。
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