CN109660251B - 一种数字锁相放大器 - Google Patents
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Abstract
一种数字锁相放大器，属于信号探测放大设备技术领域。本发明解决了现有锁相放大器体积庞大、成本高、易受环境噪声干扰等问题。本发明使用两级运算放大器对待测信号进行放大，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号后送入ARM微处理器，与参考信号进行锁相放大的相关运算，经FIR低通滤波器后计算出待测信号幅值与相位差，以数字量或模拟量输出计算结果。本发明将传统的数字锁相放大器小型化、模块化，且该数字锁相放大器可以单独使用，也可以以模块的形式嵌入到任何测量系统中，具有应用范围广，使用方便的特点。此外，本发明的数字锁相放大器还具有低功耗、小体积、低成本特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字锁相放大器，属于信号探测放大设备技术领域。
背景技术
锁相放大器，其主要功能是用来检测和测量微弱信号，待测的微弱信号通常隐藏在复杂环境噪声中，并且其幅值与噪声相比要小得多。锁相放大器是利用相敏检测技术，能够识别出与参考信号同频的被测信号，消除与参考信号不同频率的噪声信号的干扰，从而可以将待测信号从噪声中提取出来。锁相放大器按照实现方法不同可分为模拟型和数字型两种，其中模拟锁相放大器的研究开展的最早，虽然传统的模拟锁相放大器速度快，但是模拟锁相放大器容易受环境噪声干扰，对参考信号和待测信号的相位差要求较高，通常要求待测信号与参考信号的相位差为零。而传统的基于DSP处理器的数字锁相放大器，虽然精度高，但技术复杂，价格昂贵，体积较大，功耗较高，不能够满足小型测量系统的应用。因此，提供一种具有功能灵活、运算速度快、处理能力强、实时性好、小型化，并且可以以模块的形式嵌入到测量系统当中的锁相放大器是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有锁相放大器体积庞大、成本高、易受环境噪声干扰等问题。提出了一种新型的数字锁相放大器。
本发明的技术方案：
一种数字锁相放大器，包括模拟信号输入端口、放大及滤波电路、加法电路、参考电压电路、模数转换电路、ARM微处理器、参考信号输入端口、外部驱动电路和外部通讯接口电路，模拟信号输入端口与放大及滤波电路的输入端连接，放大及滤波电路的输出端与加法电路的输入端连接，加法电路的输出端与模数转换电路的输入端连接，模数转换电路的输出端与ARM微处理器的输入端连接，参考信号输入端口与ARM微处理器的输入端连接，参考电压电路的输出端与模数转换电路的输入端连接，参考电压电路的输出端与ARM微处理器的输入端连接，ARM微处理器的输出端与外部驱动电路的输入端连接，ARM微处理器的输出端与外部通讯接口电路的输入端连接。
优选的：所述的模拟信号输入端口还与校准继电器连接，校准继电器由三极管S8550驱动，三极管S8550由ARM微处理器控制，ARM微处理器通过三极管S8550控制校准继电器实现模拟信号通道的通或断，当模拟信号通道断开时，将模拟信号输入端口短接到地；当模拟信号通道接通时，检测信号通过校准继电器和模拟信号输入端口输入到放大及滤波电路2中。
优选的：所述的放大及滤波电路包括第一级放大器和第二级放大器，第一级放大器包括第一个放大器、电阻R9和电容C12，电阻R9和电容C12并联后与第一个放大器连接，第一个放大器的放大倍数由电阻R14和电阻R11控制；第二级放大器包括电阻R12和第二个放大器，第二个放大器的放大倍数由电阻R17和滑动变阻器R13控制；第一级放大器与第二级放大器耦合电容C10连接；第一级放大器和第二级放大器均由正负5V电源供电，并且电源引脚均连接去耦电容；第一级放大器的输入端与模拟信号输入端口连接；第一级放大器的输出端与耦合电容C10的一端连接，耦合电容C10的另一端与第二级放大器的输入端连接，第二级放大器的输出端与加法电路的输入端连接。
优选的：所述的加法电路包括C76和第三个放大器，检测信号通过耦合电容C76连接到第三个放大器的输入端，第三个放大器的输出端与模数转换电路的输入端连接；第三个放大器由正负5V电源供电，并且电源引脚均连接去耦电容；加法电路的输入端连接有电压基准源、电阻R104和电阻R105，电阻R104和电阻R105对电压基准源REF192提供的2.5V参考电源分压成1.25V后连接到加法电路的输入端。
优选的：所述的模数转换电路包括低通滤波器和模数转换器，低通滤波器包括电阻R7和电容C11，模数转换器的2.5V参考电压由电压基准源提供，模数转换器的VIO引脚连接至3.3V电源输出端；模数转换器的SDI、SCK、SDO、CNV引脚分别与ARM微处理器连接。
优选的：所述的ARM微处理器的主控芯片为STM32F407ZGT6单片机；所述的模数转换器的SDI、SCK、SDO、CNV引脚分别与STM32F407ZGT6单片机的MOSI、SCK、MISO、NCSS连接，STM32F407ZGT6单片机通过SPI总线控制和读取模数转换器AD7685的采样数据；测量结果从微处理器的DAC输出引脚以模拟信号形式输出或通过外部通讯接口电路以数字形式输出。
优选的：所述的ARM微处理器的输入端与SWD编程接口连接。
优选的：所述的ARM微处理器的输出端还连接有LED指示灯和/或蜂鸣器。
优选的：所述的第一个放大器、第二个放大器均为OPA627型运算放大器；模数转换器为AD7685；电压基准源为REF192。
本发明具有以下有益效果：本发明涉及一种数字锁相放大器，使用两级运算放大器对待测信号进行放大，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号后送入ARM微处理器，与参考信号进行锁相放大的相关运算，经FIR低通滤波器后计算出待测信号幅值与相位差，以数字量或模拟量输出计算结果，还具有驱动外部负载功能，数字通信接口和固件升级接口。将传统的数字锁相放大器小型化、模块化，且该数字锁相放大器可以单独使用，也可以以模块的形式嵌入到任何测量系统中，具有应用范围广，使用方便的特点。此外，本发明的数字锁相放大器还具有低功耗、小体积、低成本特点。
附图说明
图1是数字锁相放大器的示意图；
图2是放大及滤波电路图；
图3是加法电路图；
图4是模数转换电路图；
图5是参考电压电路图；
图中1-模拟信号输入端口，2-放大及滤波电路，3-加法电路，4-参考电压电路，5-模数转换电路，6-ARM微处理器，7-参考信号输入端口，8-外部驱动电路，9-外部通讯接口电路。
具体实施方式
结合附图1至图5说明本发明具体实施方式：如图1所示，本发明一种数字锁相放大器，包括模拟信号输入端口1、放大及滤波电路2、加法电路3、参考电压电路4、模数转换电路5、ARM微处理器6、参考信号输入端口7、外部驱动电路8和外部通讯接口电路9，模拟信号输入端口1与放大及滤波电路2的输入端连接，放大及滤波电路2的输出端与加法电路3的输入端连接，加法电路3的输出端与模数转换电路5的输入端连接，模数转换电路5的输出端与ARM微处理器6的输入端连接，参考信号输入端口7与ARM微处理器6的输入端连接，参考电压电路4的输出端与模数转换电路5的输入端连接，参考电压电路4的输出端与ARM微处理器6的输入端连接，ARM微处理器6的输出端与外部驱动电路8的输入端连接，ARM微处理器6的输出端与外部通讯接口电路9的输入端连接。如此设置，检测信号由模拟信号输入端口1进入到放大及滤波电路2中，检测信号通过放大及滤波电路2的放大和滤波处理后，经过加法电路3将检测信号增加一个直流偏置电压，然后通过模数转换电路5将检测信号转化为数字信号，其中参考电压电路4为模数转换电路5提供精密的参考电压，其中参考信号输入端口7用于连接外部参考信号，外部参考信号通过参考信号输入端口7进入到ARM微处理器6中，参考电压电路4为模数转换电路5提供精密的参考电压；ARM微处理器6接收来自于模数转换电路5的检测信号和来自于参考电压电路4的参考信号，ARM微处理器6以中断触发的方式测量参考信号的频率，将参考信号分为两路分别与正弦函数和余弦函数相乘，形成两路正交参考信号，然后分别与检测信号进行相敏检波相关运算，然后使用262阶FIR低通滤波器卷积运算，得到两个直流分量，通过相关算法计算出待测信号的幅值和相位差。其中检测信号可以从ARM微处理器6的DAC输出引脚以模拟信号的方式输出，也可以通过串口以数字信号的形式输出。所述串行通信接口连接ARM微处理器的输入端，ARM微处理器的串口通过光耦合隔离器连接到外部串口，另一组串口由SP3232转换为232电平后输出，外部模块或设备可以使用TTL电平的串口与该模块连接，也可以以232电平的串口与该模块通信。
所述的模拟信号输入端口1还与校准继电器连接，校准继电器由三极管S8550驱动，三极管S8550由ARM微处理器6控制，ARM微处理器6通过三极管S8550控制校准继电器实现模拟信号通道的通或断，当模拟信号通道断开时，将模拟信号输入端口1短接到地；当模拟信号通道接通时，检测信号通过校准继电器和模拟信号输入端口1输入到放大及滤波电路2中。
如图2所示，所述的放大及滤波电路2包括第一级放大器和第二级放大器，第一级放大器包括第一个放大器、电阻R9和电容C12，电阻R9和电容C12并联后与第一个放大器连接，第一个放大器的放大倍数由电阻R14和电阻R11控制；第二级放大器包括电阻R12和第二个放大器，第二个放大器的放大倍数由电阻R17和滑动变阻器R13控制；第一级放大器与第二级放大器耦合电容C10连接；第一级放大器和第二级放大器均由正负5V电源供电，并且电源引脚均连接去耦电容；第一级放大器的输入端与模拟信号输入端口1连接；第一级放大器的输出端与耦合电容C10的一端连接，耦合电容C10的另一端与第二级放大器的输入端连接，第二级放大器的输出端与加法电路3的输入端连接。
如图3所示，所述的加法电路3包括C76和第三个放大器，检测信号通过耦合电容C76连接到第三个放大器的输入端，第三个放大器的输出端与模数转换电路5的输入端连接；第三个放大器由正负5V电源供电，并且电源引脚均连接去耦电容；加法电路3的输入端连接有电压基准源、电阻R104和电阻R105，电阻R104和电阻R105对电压基准源REF192提供的2.5V参考电源分压成1.25V后连接到加法电路的输入端。
如图4所示，所述的模数转换电路5包括低通滤波器和模数转换器，低通滤波器包括电阻R7和电容C11，模数转换器的2.5V参考电压由电压基准源提供，模数转换器的VIO引脚连接至3.3V电源输出端；模数转换器的SDI、SCK、SDO、CNV引脚分别与ARM微处理器6连接。
如图5所示，所述的ARM微处理器6的主控芯片为STM32F407ZGT6单片机；所述的模数转换器的SDI、SCK、SDO、CNV引脚分别与STM32F407ZGT6单片机的MOSI、SCK、MISO、NCSS连接，STM32F407ZGT6单片机通过SPI总线控制和读取模数转换器AD7685的采样数据；测量结果从微处理器6的DAC输出引脚输出或通过外部通讯接口电路9输出。
所述的ARM微处理器6的输入端与SWD编程接口连接。如此设置，可通过SWD编程接口使用任何带有SWD调试功能的下载器进行固件升级。
所述的ARM微处理器6的输出端还连接有LED指示灯和/或蜂鸣器。如此设置，LED指示灯作为电源和信号的指示灯；蜂鸣器连接微处理器的输出端，当输入信号超出允许输入的最大值时，蜂鸣器进行报警提示。ARM微处理器6的输出端还可连接GPIO接口，ARM微处理器6通过GPIO接口控制外部负载。ARM微处理器6的输出端还可连接斩波片电机驱动电路，ARM微处理器6可以驱动斩波片电机来进行对信号的调制，也可以驱动其它负载。
所述的第一个放大器、第二个放大器和第三个放大器均为OPA627型运算放大器；模数转换器为AD7685；电压基准源为REF192。
本发明的一种数字锁相放大器的工作原理：在实际测量之前，驱动校准继电器关闭信号输入，将信号输入端短接到GND，这样送入模数转换器的信号只有直流分量，没有信号成分，即可测出直流分量的电压值，并且在在运算过程中需要减掉这个直流分量来还原信号值。然后打开信号输入，检测信号从模拟信号输入端口1接入，进入放大及滤波电路2进行信号放大，并且放大及滤波电路2放大信号的同时与电容电阻构成有源滤波器，检测信号经过放大及滤波电路2的放大后的放大信号是一个具有正负电压的交流信号，而模数转换电路5只能转换正极性电压，所以需要将放大的信号增加一个直流偏置，使得信号变为正值，故采用2.5V的电压基准源，直流偏置采用两个10K欧姆的电阻对2.5V参考电压进行分压，然后连接到加法电路3的输出端，将放大后的信号通过电容耦合的方式连接到加法电路3的输入端，这样模数转换器采集到带有直流分量的信号，模数转换器将信号转换为数字信号送入STM32单片机。ARM微处理器6对参考信号进行频率检测，当锁定频率值时对参考信号和检测信号进行相关运算。采用正交矢量数字锁相放大器算法，分为互相正交两个通道分别进行运算，实际计算过程中，一路参考信号与正弦函数相乘后与待测信号进行相关运算，另一路参考信号与余弦函数相乘之后与待测信号进行相关运算。两路运算结果分别使用262阶FIR滤波器进行卷积运算，然后得到两个值，通过相关公式可以计算出待测信号的幅值和相位差。
并且本发明还可以通过串口与计算机或其他处理器进行通信，将测量结果通过串口通信以数字信号输出，还可以通过微处理器的数模转换输出引脚以模拟信号进行输出。本发明在输出测量信号的同时还可以驱动外部负载单元，如板载了驱动斩波片电机的驱动电路，预留了8路I/O输出引脚。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (6)
1.一种数字锁相放大器，其特征在于：包括模拟信号输入端口（1）、放大及滤波电路（2）、加法电路（3）、参考电压电路（4）、模数转换电路（5）、ARM微处理器（6）、参考信号输入端口（7）、外部驱动电路（8）和外部通讯接口电路（9），模拟信号输入端口（1）与放大及滤波电路（2）的输入端连接，放大及滤波电路（2）的输出端与加法电路（3）的输入端连接，加法电路（3）的输出端与模数转换电路（5）的输入端连接，模数转换电路（5）的输出端与ARM微处理器（6）的输入端连接，参考信号输出端口与ARM 微处理器的输入端连接，参考电压电路（4）的输出端与模数转换电路（5）的输入端连接，参考电压电路（4）的输出端与ARM微处理器（6）的输入端连接，ARM微处理器（6）的输出端与外部驱动电路（8）的输入端连接，ARM微处理器（6）的输出端与外部通讯接口电路（9）的输入端连接；
所述的模拟信号输入端口（1）还与校准继电器连接，校准继电器由三极管S8550驱动，三极管S8550由ARM微处理器（6）控制，ARM微处理器（6）通过三极管S8550控制校准继电器实现模拟信号通道的通或断，当模拟信号通道断开时，将模拟信号输入端口（1）短接到地；当模拟信号通道接通时，检测信号通过校准继电器和模拟信号输入端口（1）输入到放大及滤波电路（2）中；
所述ARM微处理器（6）以中断触发的方式测量参考信号的频率，将参考信号分为两路分别与正弦函数和余弦函数相乘，形成两路正交参考信号，然后分别与检测信号进行相敏检波相关运算，然后使用262阶FIR低通滤波器卷积运算，得到两个直流分量，通过相关算法计算出待测信号的幅值和相位差；
所述的放大及滤波电路（2）包括第一级放大器和第二级放大器，第一级放大器包括第一个放大器、电阻R9和电容C12，电阻R9和电容C12并联后与第一个放大器连接，第一个放大器的放大倍数由电阻R14和电阻R11控制；第二级放大器包括电阻R12和第二个放大器，第二个放大器的放大倍数由电阻R17和滑动变阻器R13控制；第一级放大器与第二级放大器耦合电容C10连接；第一级放大器和第二级放大器均由正负5V电源供电，并且电源引脚均连接去耦电容；第一级放大器的输入端与模拟信号输入端口（1）连接；第一级放大器的输出端与耦合电容C10的一端连接，耦合电容C10的另一端与第二级放大器的输入端连接，第二级放大器的输出端与加法电路（3）的输入端连接；
所述的加法电路（3）包括C76和第三个放大器，检测信号通过耦合电容C76连接到第三个放大器的输入端，第三个放大器的输出端与模数转换电路（5）的输入端连接；第三个放大器由正负5V电源供电，并且电源引脚均连接去耦电容；加法电路（3）的输入端连接有电压基准源、电阻R104和电阻R105，电阻R104和电阻R105对电压基准源REF192提供的2.5V参考电源分压成1.25V后连接到加法电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种数字锁相放大器，其特征在于：所述的模数转换电路（5）包括低通滤波器和模数转换器，低通滤波器包括电阻R7和电容C11，模数转换器的2.5V参考电压由电压基准源提供，模数转换器的VIO引脚连接至3.3V电源输出端；模数转换器的SDI、SCK、SDO、CNV引脚分别与ARM微处理器（6）连接。
3.根据权利要求1所述的一种数字锁相放大器，其特征在于：所述的ARM微处理器（6）的主控芯片为STM32F407ZGT6单片机；模数转换器的SDI、SCK、SDO、CNV引脚分别与STM32F407ZGT6单片机的MOSI、SCK、MISO、NCSS连接，STM32F407ZGT6单片机通过SPI总线控制和读取模数转换器AD7685的采样数据；经过处理后的检测信号从微处理器的DAC输出引脚以模拟信号形式输出或通过外部通讯接口电路以数字形式输出。
4.根据权利要求1所述的一种数字锁相放大器，其特征在于：所述的ARM微处理器（6）的输入端与SWD编程接口连接。
5.根据权利要求1所述的一种数字锁相放大器，其特征在于：所述的ARM微处理器（6）的输出端还连接有LED指示灯和/或蜂鸣器。
6.根据权利要求2所述的一种数字锁相放大器，其特征在于：所述的第一个放大器、第二个放大器和第三个放大器均为OPA627型运算放大器；模数转换器为AD7685；电压基准源为REF192。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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