CN113532492A - 一种光纤布拉格光栅位移输出信号的静态锁相放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤布拉格光栅位移输出信号的静态锁相放大电路，包括：光电探测器、信号预处理模块、调制模块、锁相放大模块、单端差分模块；光电探测器将所检测到的位移信号转换为微弱电信号，并由信号预处理模块进行滤波、消除偏置，以满足调制要求后连接到调制模块，并与高频正弦载波信号进行幅度调制后连接到锁相放大模块进行双级放大、带通滤波处理后，再与另一路移相后的高频正弦载波信号一起进行解调和低通滤波后输出至单端差分模块，由单端差分模块输出经过放大的有效直流差分电信号。本发明能够在毫伏级强噪声背景干扰下有效检测传感器输出的微伏级直流信号，同时对直流有效信号进行高倍率放大输出，从而提高输出信号的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及微弱静态直流信号的检测与识别领域，搭建出具有高信噪比和高倍率的静态锁相放大电路。
背景技术
近年来，人们对光纤传感技术的研究也越来越重视，但针对微纳量级的微位移被测信号，光纤布拉格光栅发生形变后反射的窄带光谱的光功率对应的电压信号量级极小(仅为μV级)。因此，有效测量信号常被淹没在环境噪声之中。如何有效的提取并放大测量信号就成为微纳测量中的重点。光纤光栅传感信号解调技术是传感系统的核心，解调系统的性能优劣直接关系整个传感检测系统的实用价值。对光纤布拉格光栅的实验研究表明：其对应变灵敏度极小，约为1.22pm/με。为了使数据采集卡能够直接处理待测信号，需要将光纤布拉格光栅位移传感器输出的光功率信号转变为电信号。由于前端光纤光栅传感器所在的光路系统输出量级较小，因此待测信号需要进行高信噪比放大后才能被后级电路识别。
根据前文所述，直接放大原始信号的同时噪声也将被放大，这会使得最终的输出端信噪比降低，待测信号也会淹没在噪声中。因此如何提高信噪比是提取信号、还原信号的关键。目前在对精度要求较高且噪声量级等于甚至大于信号量级数十倍的场合，常用的检测微弱信号的方法有频域信号的窄带化技术、平均处理法、小波变换、取样积分、相关检测法等方法。但是这些方法在实际应用时都存在较大的局限性，并不能直接降低输出端的信噪比，而是通过复杂的理论公式和软件计算等后处理措施从输出结果中获得。1962年，美国EG&GPARC公司研制出世界上第一台利用模拟电路实现测量微弱正弦信号的锁相放大器，引领了微弱信号检测技术的革命。但是由于模拟电路的某些特性如：易受到环境、温度等影响，在锁相放大器发展的前期，会出现信噪比较低、动态范围都较低的现象。南京大学唐鸿宾团队(南京大学微弱信号检测技术研究中心)对锁相放大技术起步较早，他们研究了不同型号、不同功能的锁相放大器和锁定分析器，研发出FS、ND、HB系列锁相放大器。美国TI公司研发的高集成度的专用锁相放大器芯片虽然被广泛应用于微弱信号检测识别领域。但是以上这些传统的锁相放大器通常是针对指定频段内的交流被测信号进行处理，而无法处理静态或准静态的微弱直流被测信号，且价格较昂贵。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种低成本的光纤布拉格光栅位移输出信号的高信噪比静态锁相放大电路，以期能够在毫伏级强噪声背景干扰下有效检测传感器输出的微伏级直流信号，同时对直流有效信号进行高倍率放大输出，以提高输出信号的信噪比。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种光纤布拉格光栅位移输出信号的静态锁相放大电路的特点包括：光电探测器、信号预处理模块、调制模块、锁相放大模块、单端差分模块；
所述光电探测器检测光纤布拉格光栅的位移变化量并转换为微弱电信号后发送给所述信号预处理模块，由所述信号预处理模块对所述微弱电信号进行滤波、消除偏置处理，得到满足调制要求的待调制信号后发送给调制模块；
所述调制模块将所述待调制信号与高频正弦载波信号进行幅度调制后发送给所述锁相放大模块；由所述锁相放大模块对调制后的信号进行双级放大、带通滤波处理后，再与所接收的另一路移相后的高频正弦载波信号一起进行解调和低通滤波处理，得到待测有效直流信号并输出给所述单端差分模块，由所述单端差分模块对所述待测有效直流信号进行放大处理，从而得到有效直流差分电信号。
本发明所述的静态锁相放大电路的特点在于，所述调制模块由AD835芯片及其外围电路组成；
所述AD835芯片的1管脚为输入端，并用于接收所述待调制信号，所述AD835芯片的8管脚为输入端，用于接收所述高频正弦载波信号，所述AD835芯片的2管脚和7管脚均接地，所述AD835芯片的3管脚通过磁珠接负电源端-5.5V，所述AD835芯片的6管脚通过磁珠接正电源端+5.5V，所述AD835芯片的4管脚分别通过两个不同阻值的电阻连接5管脚、7管脚以抵消所述AD835芯片自身增益的衰减，所述AD835芯片的5管脚为调制后的信号的输出端，并连接至所述锁相放大模块的输入端。
所述单端差分模块由AD4922-1芯片及其外围电路组成；
所述AD4922-1芯片的8管脚为输入端，连接锁相放大模块的输出端以接收所述待测有效直流信号，所述AD4922-1芯片的3管脚和7管脚均接正电源端+9V，所述AD4922-1芯片的6管脚接负电源端-9V，所述AD4922-1芯片的2管脚和9管脚均接地，所述AD4922-1芯片的4管脚和5管脚分别为双极性差分正输出端和双极性差分负输出端，并连接至外部的数据采集卡。
所述信号预处理模块包括：依次连接的高共模抑制比消除偏置电路和前置低通滤波电路；
所述高共模抑制比消除偏置电路由INA114芯片及其外围电路组成；
所述INA114芯片的3管脚为输入端，用于接收所述光电探测器输出的微弱电信号，所述INA114芯片的2管脚用于连接外部高精度的可调稳压电源，以消除光电探测器的偏置电压；所述INA114芯片的7管脚接正电源端+5V，所述INA114芯片的4管脚接负电源端-5V，所述INA114芯片的5管脚接地，所述INA114芯片的6管脚连接至所述前置低通滤波电路的输入端，所述前置低通滤波电路的输出端输出所述待调制信号，以消除环境中的噪声。
所述前置低通滤波电路由两级TLC2652芯片及其外围电路组成；
第一级TLC2652芯片的2管脚为输入端，并通过两个电阻串联后连接高共模抑制比消除偏置电路的输出端，第一级TLC2652芯片的1管脚、8管脚分别通过聚酯薄膜电容接负电源端-5.5V，第一级TLC2652芯片的5管脚与2管脚短接，第一级TLC2652芯片的2管脚、6管脚之间通过电容相连，第一级TLC2652芯片的6管脚通过电阻串联后形成负反馈并连接至自身的输入端，第一级TLC2652芯片的7管脚接正电源端+5.5V，第一级TLC2652芯片的4管脚接负电源端-5.5V，第一级TLC2652芯片的3管脚接地，第一级TLC2652芯片的6管脚为输出端，并通过两个电阻串联后连接至第二级TLC2652芯片的2管脚，从而构成巴特沃斯二级四阶低通滤波器，用于将所接收的信号中的截止频率以上的工频干扰信号滤除后连接至所述调制模块的输入端。
所述锁相放大模块包括：依次连接的双级放大电路、带通滤波电路、解调电路和低通滤波电路；
所述双级放大电路由两组ADA4077-1芯片和两组ADA4084芯片交替连接及其外围电路组成；每一级放大均由一组ADA4077-1芯片对所述调制后的信号进行高通滤波后再与一组ADA4084芯片串联，用于对第一组滤波后的信号进行放大；并通过改变两级ADA4084芯片的反馈电阻来改变电路的整体放大增益。
所述带通滤波电路由两级ADA4077-1芯片及其外围电路组成；
第一级ADA4077-1芯片的2管脚为输入端，并经过电容和电阻串联后连接所述双级放大电路的输出端，第一级ADA4077-1芯片的3管脚通过电阻接地，第一级ADA4077-1芯片的3管脚和6管脚之间通过电阻相连，第一级ADA4077-1芯片的6管脚通过电阻串联形成负反馈后连接至自身的输入端；第一级ADA4077-1芯片的7管脚接正电源端+9V，第一级ADA4077-1芯片的4管脚接负电源端-9V，第一级ADA4077-1芯片的6管脚为输出端，并经过三个电阻串联后连接至第二级ADA4077-1芯片的2管脚，从而构成巴特沃斯二级四阶带通滤波器，用于将所接收的信号中的中心频率以外的带外噪声滤除后连接至所述解调电路的输入端。
所述解调电路由AD630芯片及其外围电路组成；
所述AD630芯片的17管脚为输入端，用于连接带通滤波电路的输出端，所述AD630芯片的9管脚为输入端，用于接收外部输入的高频正弦载波信号，所述AD630芯片的16管脚与17管脚短接，AD630芯片的15管脚与19管脚、20管脚短接，所述AD630芯片的13管脚与12管脚、14管脚短接，所述AD630芯片的1管脚与10管脚短接并接地，所述AD630芯片的11管脚接正电源端+9V，AD630芯片的8管脚接负电源端-9V，AD630芯片的13管脚为输出端，用于输出解调后的单极性半波，并连接至所述低通滤波电路的输入端。
所述低通滤波电路由两级ADA4077-2芯片及其外围电路组成；
第一级ADA4077-2芯片的2管脚为输入端，并经过两个电阻串联后连接至所述解调电路的输出端，第一级ADA4077-2芯片的2管脚和6管脚之间通过电容相连，第一级ADA4077-2芯片的6管脚通过电阻串联并形成负反馈后连接至自身的输入端，第一级ADA4077-2芯片的7管脚接正电源端+9V，第一级ADA4077-2芯片的4管脚接负电源端-9V，第一级ADA4077-2芯片的3管脚接地，第一级ADA4077-2芯片的6管脚为输出端，并经过两个电阻串联后连接至第二级ADA4077-2芯片的2管脚，从而构成巴特沃斯二级四阶低通滤波器，用于将所接收的信号中的非直流干扰信号滤除后连接至所述单端差分模块的输入端。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明中的一种光纤布拉格光栅位移输出信号的静态锁相放大电路可以有效的从毫伏级噪声背景下提取出微伏级直流有效待测信号，并完成高倍率放大后输出，整个电路系统成本低廉，输出线性度高，极限饱和输出条件下输出端信噪比可达4000:1。
2.本发明中多数信号处理模块采用分立的运算放大器芯片及其外围元件搭建而成。其中包括信号预处理电路、高通滤波电路、锁相放大电路、单端差分输出电路，可以对部分信号处理模块的参数进行灵活的动态重配置以满足不同的实验场景。
3.本发明中使用分立元件搭建的静态锁相放大电路各项参数指标更加精准高效，设计成本远远低于市面上专用高集成度锁相放大仪器，在进行高倍率放大时系统链路最终的输出信号线性程度高，有利于进一步提升光纤布拉格光栅位移传感器的分辨率至pm量级，扩展了光纤布拉格光栅位移传感器的应用场景。
4.本发明中光纤布拉格光栅位移传感器经光电探测器转化后输出的信号为直流信号，而传统的锁相放大器芯片只能对交流信号进行处理，因此基于相敏检波技术的原理对传统的锁相放大电路进行改良后设计出可以直接应用于直流微弱信号检测场景的静态锁相放大电路。
附图说明
图1是本发明中静态锁相放大电路结构示意图；
图2是本发明中高共模抑制比消除偏置电路图；
图3是本发明中前置低通滤波电路图；
图4是本发明中调制模块电路图；
图5是本发明中双级放大模块电路图；
图6是本发明中带通滤波电路图；
图7是本发明中解调电路图；
图8是本发明中低通滤波电路图；
图9是本发明中单端差分模块电路图；
图10a是本发明中128倍放大的系统输出噪声曲线图；
图10b是本发明中256倍放大的系统输出噪声曲线图；
图10c是本发明中384倍放大的系统输出噪声曲线图；
图11是本发明中三种放大倍数下的系统输入输出曲线图；
图12是本发明中三种放大倍数下的线性拟合参数图。
具体实施方式
在本实施例中，一种光纤布拉格光栅位移输出信号的静态锁相放大电路，该电路系统基于静态锁相放大技术的原理，可以实现在强噪声背景干扰下提取出微弱直流信号，并对直流有效信号进行高倍率放大输出，以改善输出信号的信噪比。如图1所示，该电路系统由5部分组成，包括：光电探测器1、信号预处理模块2、调制模块3、锁相放大模块4、单端查分模块5。待测信号首先输入信号预处理模块后送入调制模块，然后连接至锁相放大模块后再送入单端差分模块，最终从单端差分模块的输出端获得输出信号。
该光电探测器检测光纤布拉格光栅的位移变化量并转换为微弱电信号后发送给信号预处理模块，由于光纤布拉格光栅位移传感器直接输出的是光功率信号，所以光电探测器作为转换元件将光信号转化为电信号后方便后级电路处理。光纤布拉格光栅位移传感器的输出信号常常伴随温飘扰动和传感器光路的光衍射现象叠加的噪声，光电探测器自身也携带190mV的输出直流偏置，其输出的电信号还会受到环境光的影响，因此待测信号中除了μV级的直流有效信号外，还包含mV量级的高斯白噪声和直流偏置电压。由信号预处理模块对微弱电信号进行滤波、消除偏置处理，否则直流偏置电压和噪声的存在会导致后端双级放大电路输出饱和，从而大大限制后级电路的可用极限放大倍数，使得整个电路的信噪比恶化。最终得到满足调制要求的待调制信号后发送给调制模块；
具体实施中，该信号预处理模块由依次连接的高共模抑制比消除偏置电路和前置低通滤波电路组成。
其中，高共模抑制比消除偏置电路由INA114芯片及其外围电路组成，如图2所示。这是一款高性能的三运放芯片，多用于要求共模抑制比大于100dB的场合，此外，对于不需要增益的电路来说，此芯片不需要外界任何电阻，这对于后期焊接、调试，有着巨大的便利。
INA114芯片的3管脚为输入端，用于接收光电探测器输出的微弱电信号，INA114芯片的2管脚用于连接外部高精度的可调稳压电源，以消除光电探测器的偏置电压；INA114芯片的7管脚接正电源端+5V，INA114芯片的4管脚接负电源端-5V，INA114芯片的5管脚接地，INA114芯片的6管脚连接至前置低通滤波电路的输入端，前置低通滤波电路的输出端输出待调制信号，以消除环境中的噪声。
前置低通滤波电路由两级TLC2652芯片及其外围电路组成，如图3所示。由于光电探测器输出信号为直流，其他频率信号均可视为干扰，因此可直接引入低通滤波器滤除噪声。前置低通滤波模块作为信号预处理模块的最后一个部分，它对信号噪声的削减是明显的，从而有效改善信号在传输过程中的信噪比。
第一级TLC2652芯片的2管脚为输入端，并通过两个电阻串联后连接高共模抑制比消除偏置电路的输出端，第一级TLC2652芯片的1管脚、8管脚分别通过聚酯薄膜电容接负电源端-5.5V，第一级TLC2652芯片的5管脚与2管脚短接，第一级TLC2652芯片的2管脚、6管脚之间通过电容相连，第一级TLC2652芯片的6管脚通过电阻串联后形成负反馈并连接至自身的输入端，第一级TLC2652芯片的7管脚接正电源端+5.5V，第一级TLC2652芯片的4管脚接负电源端-5.5V，第一级TLC2652芯片的3管脚接地，第一级TLC2652芯片的6管脚为输出端，并通过两个电阻串联后连接至第二级TLC2652芯片的2管脚，从而构成巴特沃斯二级四阶低通滤波器，用于将所接收的信号中的截止频率以上的工频干扰信号滤除后连接至调制模块的输入端。前置低通滤波电路同时也作为进入调制模块前信号所经过的最后一个模块，可以进一步滤除干扰噪声，使进入调制器的信号更加干净。该低通滤波器截至频率设计为10Hz，并且设计幅频特性在50Hz时达到-40dB(即削减100倍)，这样可显著去除工频干扰和直流信号之外的噪声信号。
该调制模块将待调制信号与高频正弦载波信号进行幅度调制后发送给锁相放大模块；由锁相放大模块对调制后的信号进行双级放大、带通滤波处理后，再与所接收的另一路移相后的高频正弦载波信号一起进行解调和低通滤波处理，得到待测有效直流信号并输出给单端差分模块，由单端差分模块对待测有效直流信号进行放大处理，从而得到有效直流差分电信号。
具体实施中，该调制模块由AD835芯片及其外围电路组成，如图4所示。待测含噪声直流信号经信号预处理模块后连接至调制模块，由于信号预处理模块输出的信号为直流微小信号，因此需要加载到一个高频载波上(V级)，所以待测直流信号与外部信号发生器产生的频率为1KHz，幅值为0.5V的高频正弦载波信号相乘后实现调制。
AD835芯片的1管脚为输入端，并用于接收待调制信号，AD835芯片的8管脚为输入端，用于接收高频正弦载波信号，AD835芯片的2管脚和7管脚均接地，AD835芯片的3管脚通过磁珠接负电源端-5.5V，AD835芯片的6管脚通过磁珠接正电源端+5.5V，AD835芯片的4管脚分别通过两个不同阻值的电阻连接5管脚、7管脚以抵消AD835芯片自身增益的衰减，其中，AD835四象限乘法器运算规则为：
式(1)中，W表示调制模块输出的已调信号，X1表示载波信号正输入电压，X2表示载波信号负输入电压，Y1表示待调制信号正输入电压，Y2表示待调制信号负输入电压，Z表示输出直流偏置电压。
为避免在调制过程中对信号进行缩小，减少后级信号放大倍数，因为后级过高的放大倍数不利于运放性能的释放。因此实际应用中AD835四象限乘法器运算规则为：
式(2)中，R1表示W与Z之间的反馈电阻，R2表示Z与X2之间的反馈电阻，此种连接方式应注意1kΩ≤R1，R2≤100kΩ，即放大倍数不能超过100，这里设置增益为10从而抵消自身原理上的减小，Z接地。AD835芯片的5管脚为调制后的信号的输出端，连接至锁相放大模块的输入端。
该锁相放大模块包括：依次连接的双级放大电路(一级高通滤波模块、一级放大模块、二级高通滤波模块、二级放大模块)、带通滤波电路、解调电路和低通滤波电路。在该锁相放大模块中主要实现对信号进行放大和选频，并对噪声进行滤除后输出放大后的直流信号。信号在经过调制后，虽然信号质量较好，但输出信号仍是mV级，为了使解调后的信号能够直接被数据采集卡采集，需要将信号放大到V级。
双级放大电路由两组ADA4077-1芯片和两组ADA4084芯片交替连接及其外围电路组成，如图5所示。每一级放大均由一组ADA4077-1芯片对调制后的信号进行高通滤波后再与一组ADA4084芯片串联，用于对第一组滤波后的信号进行放大；并通过改变两级ADA4084芯片的反馈电阻来改变电路的整体放大增益。在实际电路设计中并没有采用简单的两级放大电路串联的放大方案，而是采用首先对调制后的信号进行一级高通滤波后再进行一级放大，然后进行二级高通滤波和二级放大的放大方案。这是由于调制芯片和双级放大芯片的输出均包含直流偏置电压，如果不将每个环节输出信号中叠加的直流偏置信号滤除，则这些芯片的直流偏置电压经过放大后会极大限制待测信号的有效测量范围。因此在调制模块与一级放大模块之间加入高通滤波电路，在一级放大模块与二级放大模块之间加入高通滤波电路，确保信号被放大时不包含任何附加的直流偏置干扰。
具体实施中，带通滤波电路由两级ADA4077-1芯片及其外围电路组成，如图6所示。经过双级放大后的信号为加载了待测信号的1kHz高频正弦载波。带通滤波模块的目的是滤除非调制频带内的高频噪声和直流偏置，防止输入解调芯片的信号幅值超过上限，导致芯片失真，无法正常工作。
第一级ADA4077-1芯片的2管脚为输入端，并经过电容和电阻串联后连接双级放大电路的输出端，第一级ADA4077-1芯片的3管脚通过电阻接地，第一级ADA4077-1芯片的3管脚和6管脚之间通过电阻相连，第一级ADA4077-1芯片的6管脚通过电阻串联形成负反馈后连接至自身的输入端；第一级ADA4077-1芯片的7管脚接正电源端+9V，第一级ADA4077-1芯片的4管脚接负电源端-9V，第一级ADA4077-1芯片的6管脚为输出端，并经过三个电阻串联后连接至第二级ADA4077-1芯片的2管脚，从而构成巴特沃斯二级四阶带通滤波器，用于将所接收的信号中的中心频率以外的带外噪声滤除后连接至解调电路的输入端。
解调电路由AD630芯片及其外围电路组成，如图7所示。在通过1kHz带通滤波器后的信号已经非常干净，此时需要将待测信号从载波信号中提取出来。因此需要将载波信号与外部信号发生器产生的具有一定相位差的频率为1kHz，幅值为0.5V的高频正弦载波信号相乘实现解调。该解调电路选用美国ADI公司生产的AD630芯片作为锁相电路的核心芯片，它主要完成相敏检测的工作。
AD630芯片的17管脚为输入端，用于连接带通滤波电路的输出端，AD630芯片的9管脚为输入端，用于接收外部输入的高频正弦载波信号，AD630芯片的16管脚与17管脚短接，AD630芯片的15管脚与19管脚、20管脚短接，AD630芯片的13管脚与12管脚、14管脚短接，AD630芯片的1管脚与10管脚短接并接地，AD630芯片的11管脚接正电源端+9V，AD630芯片的8管脚接负电源端-9V，AD630芯片的13管脚为输出端，用于输出解调后的单极性半波，并连接至低通滤波电路的输入端。
低通滤波电路由两级ADA4077-2芯片及其外围电路组成，如图8所示。由于解调后的信号会出现信号的合频现象，即解调模块输出的信号波形为半波交流信号，无法直接使用。因此为了提取有效的待测直流信号，需要该低通滤波模块将合频信号中的交流脉动成分滤除。
第一级ADA4077-2芯片的2管脚为输入端，并经过两个电阻串联后连接至解调电路的输出端，第一级ADA4077-2芯片的2管脚和6管脚之间通过电容相连，第一级ADA4077-2芯片的6管脚通过电阻串联并形成负反馈后连接至自身的输入端，第一级ADA4077-2芯片的7管脚接正电源端+9V，第一级ADA4077-2芯片的4管脚接负电源端-9V，第一级ADA4077-2芯片的3管脚接地，第一级ADA4077-2芯片的6管脚为输出端，并经过两个电阻串联后连接至第二级ADA4077-2芯片的2管脚，从而构成巴特沃斯二级四阶低通滤波器，用于将所接收的信号中的非直流干扰信号滤除后连接至单端差分模块的输入端。此处低通滤波器选择与进入调制模块前相同的电路形式(二级四阶巴特沃斯滤波器)，芯片选型仍为ADA4077-1芯片，但设定解调模块后端连接的低通滤波模块的截止频率为1Hz，更有利于彻底去除待测直流信号中叠加的交流噪声。
该单端差分模块由AD4922-1芯片及其外围电路组成，如图9所示。经过低通滤波电路后，锁相放大模块输出的信号为放大后的待测直流有效信号，可以直接送入数据采集卡进行采集分析。但考虑到电路板芯片的输出端与数据采集卡之间需要经过很长一段距离，且信号连接线将暴露在空气之中，电磁辐射干扰严重。为了进一步增强输出信号的抗干扰能力，引入该单端差分模块，芯片选型为ADI公司的AD4922-1芯片。
AD4922-1芯片的8管脚为输入端，连接锁相放大模块的输出端以接收待测有效直流信号，AD4922-1芯片的3管脚和7管脚均接正电源端+9V，AD4922-1芯片的6管脚接负电源端-9V，AD4922-1芯片的2管脚和9管脚均接地，AD4922-1芯片的4管脚和5管脚分别为双极性差分正输出端和双极性差分负输出端，并连接至外部的数据采集卡。此模块作用为将单极性信号转变为双极性差分信号，通过数据采集卡上位机相关程序的编写，将两路信号相减得到消除共模干扰后的信号作为最终的直流输出信号。通过单端差分模块处理后，输出的待测直流信号的抗干扰能力更强，分辨率也进一步扩大了一倍。
本发明的静态锁相放大电路的基本原理如下：
相关函数表示两个不同的函数x(t)，y(t)在不同时刻t1，t2的相关程度。假设x(t)＝s(t)+n(t)为含有噪声的周期微弱信号，y(t)＝r(t)为参考信号，其中s(t)为周期微弱信号，n(t)为噪声信号，将两者进行互相关运算得出：
R(τ)＝Rsr(t)+Rnr(t) (3)
式(3)中，R(τ)表示x(t)与y(t)的相关性，Rsr(t)表示s(t)与r(t)的相关性，Rnr(t)表示n(t)与r(t)的相关性，由于噪声与任何信号都相互独立的，公式(3)第二项为零。当参考信号与微弱周期信号同频时两者相关，此时第一项不为零，可以帮助从噪声中检测微弱信号。
设输入微弱信号为：
x(t)＝Vscos(ω1t+θ1) (4)
式(4)中，Vs表示微弱周期信号的幅值，ω1表示微弱周期信号的频率，θ1表示微弱周期信号的初始相位。
设输入参考信号为：
r(t)＝Vrcos(ω2t+θ2) (5)
式(5)中，Vr表示参考信号的幅值，ω2表示参考信号的频率，θ2表示参考信号的初始相位。
那么
经过低通滤波器后，公式(6)第一项合频信号被滤掉，其中，Δω＝ω1-ω2，Δθ＝θ1-θ2。当Δω≠0，且小于低通滤波器带宽，则有与输入信号成正比的交流信号输出；当Δω＝0，得到直流输出，输出幅值与输入信号的幅值、输入信号和参考信号的相位差皆成正比；当Δω＝0，Δθ＝0，输出最大，输出取决于VsVr的幅值。
当输入信号中含有噪声时，设输入信号为：
x(t)＝Vscos(ω1t+θ1)+Vncos(ωt) (7)
式(7)中，Vs表示微弱周期信号的幅值，ω1表示微弱周期信号的频率，θ1表示微弱周期信号的初始相位。Vn表示噪声信号的幅值，ω表示噪声信号的频率。
参考信号为：
r(t)＝Vrcos(ω2t+θ2) (8)
那么输出结果为：
经过低通滤波器，公式(9)第一项和第三项合频被滤掉，只剩第二项和第四项，由于噪声的频率ω是随机的，所以噪声的频率和输入信号频率同频的时候非常少，基本也可以被滤掉，所以输出结果为U(t)＝0.5VsVrcos(Δωt+Δθ),Δω＝ω1-ω2,Δθ＝θ1-θ2与不含噪声时的结果一致，由此可见，相关检测可以从噪声中提取出与参考信号同频同相的输入信号。
当r(t)为方波时同理可证，在经过低通滤波器后，此时输出为：
同理，输入方波能提取与载波信号同频待测信号的同时，也能滤除其他频率噪声。
由公式(9)的结论可以发现，外部信号发生器产生的两路输入到调制模块中的高频正弦载波信号与输入到解调模块中的高频正弦载波信号之间的相位差Δθ的值直接影响整个静态锁相放大电路的最终输出结果。为了达到最佳的解调输出效果以及待测直流有效信号理想的放大比例，Δθ的理想取值为0。因此在电路实际运行之前，必须先进行相位差调整。在相位差调整测试时，可以通过观察解调模块输出的信号在示波器上显示的图像大致判断Δθ的取值是否合理，若示波器上的波形存在过零点现象，而且波形不完全位于示波器Y轴正半轴侧，我们可以判断解调信号和调制信号存在相位差，因为该波形并不是完美的单极性半波。所以接下来改变信号发生器两路输出通道的相位差，直至在示波器上看到输出信号波形的图像已经完全变为单极性半波波形，此时解调模块输出的单极性半波信号经过低通滤波后得到的直流信号幅值也为极大值。
光纤布拉格光栅位移传感器输出的待测信号中有效信号为微伏级静态或准静态直流信号，所含环境噪声信号和传感器直流偏置信号均为毫伏级，其中噪声信号和直流偏置信号的幅值均为有效信号的1000倍。待测含噪声信号经过本发明的静态锁相放大电路处理后，最终电路系统的输出端信噪比可达4000:1，在高倍率放大的场景中进行全量程输出测试后线性度和重复性指标均非常优异。
以下为一个具体实例及测试效果：
电路参数设定如下：前置低通滤波模块选用二级四阶的巴特沃斯低通滤波器作为电路结构，截止频率设计为10Hz，并且设计幅频特性在50Hz时达到-40dB(即削减100倍)；调制模块增益为1；带通滤波模块采用巴特沃斯二级四阶滤波器，通带中心频率为1KHz，通频带为30Hz，增益为1.3；解调模块增益为1；低通滤波模块采用二级四阶巴特沃斯滤波器，截止频率1Hz；在实际实验中，外部信号发生器送入调制模块与解调模块的高频正弦载波信号幅值为500mV，频率为1KHz。
首先对该系统进行信噪比测试，输入信号由光纤布拉格光栅位移传感器提供测试电压，实验测得了在三种放大倍数下系统的噪声输出数据，如图10a、图10b和图10c所示。通过观察128倍、256倍、384倍的噪声曲线，我们可以分析得出三个系统的噪声均在2.5mV左右。由于含噪声的待测微弱直流信号经过静态锁相放大电路处理后，最终输出的直流有效信号的放大倍数已经达到384倍。但是输出信号中包含的噪声幅值却一直稳定在2.5mV，这说明待测信号中包含的噪声在不同的放大倍数下均没有被系统放大，因此电路系统的信噪比得到了巨大的提升。
接下来对该系统进行线性度测试，输入信号由高精密可调电源提供标准的输入电压信号，通过实际的测量后绘制三种放大条件下的系统输入输出线性度曲线，如图11所示。由图可知，在128倍放大条件下系统的输入与输出之间存在明显的线性关系，而且线性程度非常好。在256倍放大与384倍放大条件下测得的数据表明：在标准输入电压大于某一阈值后系统输出趋于电源饱和值，因此在计算线性度时应选取输入为-20mV之前的数据作为有效测量数据。图中三条曲线中的数据点与拟合曲线偏差较小，因此说明该系统的线性度较好。
从三种放大倍数线性区域计算得到如图12(理论128倍左；理论384倍中；理论256倍右)的线性拟合参数。需要注意的是由于单端差分模块输出的信号自带2倍增益，因此图12的斜率乘2即为放大倍数。理论为128倍，实际测试的放大倍数为154.43倍；理论为256倍，实际测试的放大倍数为294.88倍；理论为384倍，实际测试的放大倍数为364.03倍。通过对比三条线的线性拟合参数，可知线性度较好。
此外，根据公式：电压分辨率＝噪声/放大倍数，可知该静态锁相放大电路系统对输入微弱电压的分辨率约6μV左右，说明了该系统对静态信号具有较高的性噪比处理能力。
Claims (9)
1.一种光纤布拉格光栅位移输出信号的静态锁相放大电路，其特征包括：光电探测器、信号预处理模块、调制模块、锁相放大模块、单端差分模块；
所述光电探测器检测光纤布拉格光栅的位移变化量并转换为微弱电信号后发送给所述信号预处理模块，由所述信号预处理模块对所述微弱电信号进行滤波、消除偏置处理，得到满足调制要求的待调制信号后发送给调制模块；
所述调制模块将所述待调制信号与高频正弦载波信号进行幅度调制后发送给所述锁相放大模块；由所述锁相放大模块对调制后的信号进行双级放大、带通滤波处理后，再与所接收的另一路移相后的高频正弦载波信号一起进行解调和低通滤波处理，得到待测有效直流信号并输出给所述单端差分模块，由所述单端差分模块对所述待测有效直流信号进行放大处理，从而得到有效直流差分电信号。
2.根据权利要求1所述的静态锁相放大电路，其特征在于，所述调制模块由AD835芯片及其外围电路组成；
所述AD835芯片的1管脚为输入端，并用于接收所述待调制信号，所述AD835芯片的8管脚为输入端，用于接收所述高频正弦载波信号，所述AD835芯片的2管脚和7管脚均接地，所述AD835芯片的3管脚通过磁珠接负电源端-5.5V，所述AD835芯片的6管脚通过磁珠接正电源端+5.5V，所述AD835芯片的4管脚分别通过两个不同阻值的电阻连接5管脚、7管脚以抵消所述AD835芯片自身增益的衰减，所述AD835芯片的5管脚为调制后的信号的输出端，并连接至所述锁相放大模块的输入端。
3.根据权利要求1所述的静态锁相放大电路，其特征在于，所述单端差分模块由AD4922-1芯片及其外围电路组成；
所述AD4922-1芯片的8管脚为输入端，连接锁相放大模块的输出端以接收所述待测有效直流信号，所述AD4922-1芯片的3管脚和7管脚均接正电源端+9V，所述AD4922-1芯片的6管脚接负电源端-9V，所述AD4922-1芯片的2管脚和9管脚均接地，所述AD4922-1芯片的4管脚和5管脚分别为双极性差分正输出端和双极性差分负输出端，并连接至外部的数据采集卡。
4.根据权利要求1所述的静态锁相放大电路，其特征在于，所述信号预处理模块包括：依次连接的高共模抑制比消除偏置电路和前置低通滤波电路；
所述高共模抑制比消除偏置电路由INA114芯片及其外围电路组成；
所述INA114芯片的3管脚为输入端，用于接收所述光电探测器输出的微弱电信号，所述INA114芯片的2管脚用于连接外部高精度的可调稳压电源，以消除光电探测器的偏置电压；所述INA114芯片的7管脚接正电源端+5V，所述INA114芯片的4管脚接负电源端-5V，所述INA114芯片的5管脚接地，所述INA114芯片的6管脚连接至所述前置低通滤波电路的输入端，所述前置低通滤波电路的输出端输出所述待调制信号，以消除环境中的噪声。
5.根据权利要求4所述的静态锁相放大电路，其特征在于，所述前置低通滤波电路由两级TLC2652芯片及其外围电路组成；
第一级TLC2652芯片的2管脚为输入端，并通过两个电阻串联后连接高共模抑制比消除偏置电路的输出端，第一级TLC2652芯片的1管脚、8管脚分别通过聚酯薄膜电容接负电源端-5.5V，第一级TLC2652芯片的5管脚与2管脚短接，第一级TLC2652芯片的2管脚、6管脚之间通过电容相连，第一级TLC2652芯片的6管脚通过电阻串联后形成负反馈并连接至自身的输入端，第一级TLC2652芯片的7管脚接正电源端+5.5V，第一级TLC2652芯片的4管脚接负电源端-5.5V，第一级TLC2652芯片的3管脚接地，第一级TLC2652芯片的6管脚为输出端，并通过两个电阻串联后连接至第二级TLC2652芯片的2管脚，从而构成巴特沃斯二级四阶低通滤波器，用于将所接收的信号中的截止频率以上的工频干扰信号滤除后连接至所述调制模块的输入端。
6.根据权利要求1所述的静态锁相放大电路，其特征在于，所述锁相放大模块包括：依次连接的双级放大电路、带通滤波电路、解调电路和低通滤波电路；
所述双级放大电路由两组ADA4077-1芯片和两组ADA4084芯片交替连接及其外围电路组成；每一级放大均由一组ADA4077-1芯片对所述调制后的信号进行高通滤波后再与一组ADA4084芯片串联，用于对第一组滤波后的信号进行放大；并通过改变两级ADA4084芯片的反馈电阻来改变电路的整体放大增益。
7.根据权利要求6所述的静态锁相放大电路，其特征在于，所述带通滤波电路由两级ADA4077-1芯片及其外围电路组成；
第一级ADA4077-1芯片的2管脚为输入端，并经过电容和电阻串联后连接所述双级放大电路的输出端，第一级ADA4077-1芯片的3管脚通过电阻接地，第一级ADA4077-1芯片的3管脚和6管脚之间通过电阻相连，第一级ADA4077-1芯片的6管脚通过电阻串联形成负反馈后连接至自身的输入端；第一级ADA4077-1芯片的7管脚接正电源端+9V，第一级ADA4077-1芯片的4管脚接负电源端-9V，第一级ADA4077-1芯片的6管脚为输出端，并经过三个电阻串联后连接至第二级ADA4077-1芯片的2管脚，从而构成巴特沃斯二级四阶带通滤波器，用于将所接收的信号中的中心频率以外的带外噪声滤除后连接至所述解调电路的输入端。
8.根据权利要求6所述的静态锁相放大电路，其特征在于，所述解调电路由AD630芯片及其外围电路组成；
所述AD630芯片的17管脚为输入端，用于连接带通滤波电路的输出端，所述AD630芯片的9管脚为输入端，用于接收外部输入的高频正弦载波信号，所述AD630芯片的16管脚与17管脚短接，AD630芯片的15管脚与19管脚、20管脚短接，所述AD630芯片的13管脚与12管脚、14管脚短接，所述AD630芯片的1管脚与10管脚短接并接地，所述AD630芯片的11管脚接正电源端+9V，AD630芯片的8管脚接负电源端-9V，AD630芯片的13管脚为输出端，用于输出解调后的单极性半波，并连接至所述低通滤波电路的输入端。
9.根据权利要求6所述的静态锁相放大电路，其特征在于，所述低通滤波电路由两级ADA4077-2芯片及其外围电路组成；
第一级ADA4077-2芯片的2管脚为输入端，并经过两个电阻串联后连接至所述解调电路的输出端，第一级ADA4077-2芯片的2管脚和6管脚之间通过电容相连，第一级ADA4077-2芯片的6管脚通过电阻串联并形成负反馈后连接至自身的输入端，第一级ADA4077-2芯片的7管脚接正电源端+9V，第一级ADA4077-2芯片的4管脚接负电源端-9V，第一级ADA4077-2芯片的3管脚接地，第一级ADA4077-2芯片的6管脚为输出端，并经过两个电阻串联后连接至第二级ADA4077-2芯片的2管脚，从而构成巴特沃斯二级四阶低通滤波器，用于将所接收的信号中的非直流干扰信号滤除后连接至所述单端差分模块的输入端。
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