CN116248050B - 锁相放大器、信号器件检测方法及信号处理方法 - Google Patents

锁相放大器、信号器件检测方法及信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本公开是关于一种锁相放大器、信号器件检测方法、信号处理方法、存储介质及电子设备。该锁相放大器，包括：锁相放大器集成有测频模块、脉冲整形模块、相位校正模块、DDS信号模块、测相模块及PID控制模块。通过上述各个模块的相互配合实现外参考信号的信号整形，提升第一谐波分量的能量，并进行相位校正。通过调整所述本地DDS信号间的相位，使得所述外参考信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差趋近于零，得到频率与外参考信号的第一谐波分量的频率相同，且相位与外参考信号的第一谐波分量的相位相同的本地DDS信号,用于在输入信号中解调得到目标信号。

Description

锁相放大器、信号器件检测方法及信号处理方法
技术领域
本公开涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种锁相放大器、信号器件检测方法、信号处理方法、存储介质及电子设备。
背景技术
在一般的锁定放大器使用外参考模式中，若参考信号为占空比极低(例如占空比为0.01%)的方波信号。因其第一谐波分量的能量很低，甚至无法正常测量得到该参考信号的幅度和相位。这会导致锁定放大器不能成功使用该参考信号。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例期望提供一种锁相放大器、信号器件检测方法、信号处理方法、存储介质及电子设备。
本公开的技术方案是这样实现的：
第一方面，本公开提供一种锁相放大器。
本公开实施例提供的锁相放大器，包括：
测频模块，用于对锁相放大器接收到的外参考信号进行信号分析，提取所述外参考信号的信号特征，所述外参考信号为占空比低于1%的脉冲信号；
脉冲整形模块，用于根据所述信号特征，输出占空比为预定比例且信号频率与所述外参考信号的信号频率相同、上升沿同步的整形方波信号；其中，所述整形方波信号的占空比大于所述外参考信号的占空比；
相位校正模块，用于根据所述信号特征及所述整形方波信号的占空比，确定相位差校准值，所述相位差校准值为所述整形方波信号相对于所述外参考信号由于占空比改变引起的第一谐波分量相位偏移量；
DDS信号模块，用于根据所述信号特征，生成信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的本地DDS信号；
测相模块，用于检测所述整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差实测值；
PID控制模块，用于根据所述相位差校准值和所述相位差实测值，调节所述本地DDS信号的相位，使得所述相位差校准值与所述相位差实测值之和趋于零。
在一些实施例中，所述信号特征包括所述外参考信号的频率；
所述脉冲整形模块，用于根据所述外参考信号的频率，输出占空比为50%的所述整形方波信号，
所述DDS信号模块，用于根据所述外参考信号的频率，生成所述本地DDS信号。
在一些实施例中，所述信号特征包括所述外参考信号的占空比；
所述相位校正模块，用于根据所述外参考信号的占空比及所述整形方波信号的占空比，通过查找占空比-相位偏移表确定所述相位差校准值。
在一些实施例中，所述测频模块用于检测所述外参考信号的上升沿，并输出整形触发信号；
所述脉冲整形模块收到所述整形触发信号立即输出所述整形方波信号的上升沿，或者延迟nT时间后输出所述整形方波信号的上升沿，以输出上升沿与所述外参考信号同步的所述整形方波信号；其中，T为所述外参考信号的周期，n为大于或等于1的正整数。
在一些实施例中，还包括：
解调模块，用于从待测信号中分离出目标信号，所述目标信号与所述本地DDS信号频率相同、或频率和相位均相同。
在一些实施例中，所述测频模块在预定时间窗内获取所述信号特征，且所述预定时间窗的时长大于T，所述信号特征包括所述预定时间窗内所述外参考信号的最大值第一电平和最小值第二电平；
所述整形方波信号的高电平等于所述第一电平，所述整形方波信号的低电平等于所述第二电平。
第二方面，本公开提供一种信号器件检测方法，应用上述第一方面所述的锁相放大器，且包括信号发生器件和信号处理器件；
所述信号发生器件输出的信号分为至少两路，第一路信号作为所述外参考信号输入所述测频模块，第二路信号输入所述信号处理器件进行处理；
所述信号处理器件输出待测信号，所述锁相放大器参考所述本地DDS信号从所述待测信号中分离出目标信号并检测所述目标信号的时域信息，所述目标信号与所述本地DDS信号频率相同、或频率和相位均相同。
第三方面，本公开提供一种信号器件检测方法，其特征在于，应用上述第一方面所述的锁相放大器，且包括信号发生器件和信号处理器件；
所述信号发生器件输出的信号作为所述外参考信号输入所述测频模块，所述本地DDS信号分为至少两路，一路输入所述信号处理器件进行处理，另一路作为所述锁相放大器的参考；
所述信号处理器件输出待测信号，所述锁相放大器从所述待测信号中分离出目标信号并检测所述目标信号的时域信息，所述目标信号与所述本地DDS信号频率相同、或频率和相位均相同。
第四方面，本公开提供一种信号处理方法，应用于锁相放大器，包括：
接收外参考信号，对锁相放大器接收到的外参考信号进行信号分析，提取所述外参考信号的信号特征，所述外参考信号为占空比低于1%的脉冲信号；
根据所述信号特征，输出占空比为预定比例且信号频率与所述外参考信号的信号频率相同、上升沿同步的整形方波信号；其中，所述整形方波信号的占空比大于所述外参考信号的占空比；
根据所述信号特征及所述整形方波信号的占空比，确定相位差校准值，所述相位差校准值为所述整形方波信号相对于所述外参考信号由于占空比改变引起的第一谐波分量相位偏移量；
根据所述信号特征，生成信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的本地DDS信号；
检测所述整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差实测值；
根据所述相位差校准值和所述相位差实测值，调节所述本地DDS信号的相位，使得所述相位差校准值与所述相位差实测值之和趋近于零。
第五方面，本公开提供一种计算机可读存储介质，其上存储有信号处理程序，该信号处理程序被处理器执行时，实现上述第四方面所述的信号处理方法。
第六方面，本公开提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的信号处理程序，所述处理器执行所述信号处理程序时，实现上述第四方面所述的信号处理方法。
根据本公开实施例的锁相放大器，包括：测频模块，用于对锁相放大器接收到的外参考信号进行信号分析，提取外参考信号的信号特征，外参考信号为占空比低于1%的脉冲信号；脉冲整形模块，用于根据信号特征，输出占空比为预定比例且信号频率与外参考信号的信号频率相同、上升沿同步的整形方波信号；其中，整形方波信号的占空比大于外参考信号的占空比；相位校正模块，用于根据信号特征及整形方波信号的占空比，确定相位差校准值，相位差校准值为整形方波信号相对于外参考信号由于占空比改变引起的第一谐波分量相位偏移量；DDS信号模块，用于根据信号特征，生成信号频率与外参考信号的信号频率相同的本地DDS信号；测相模块，用于检测整形方波信号的第一谐波分量与本地DDS信号间的相位差实测值；PID控制模块，用于根据相位差校准值和相位差实测值，调节本地DDS信号的相位，使得相位差校准值与相位差实测值之和趋于零。本申请中的锁相放大器集成有测频模块、脉冲整形模块、相位校正模块、DDS信号模块、测相模块及PID控制模块。通过上述各个模块的相互配合实现外参考信号的信号整形，提升第一谐波分量的能量，并进行相位校正。通过调整本地DDS信号间的相位，使得本地DDS信号与外参考信号的第一谐波分量间的相位差趋近于零，得到频率与外参考信号的第一谐波分量的频率相同，且相位与外参考信号的第一谐波分量的相位相同的本地DDS信号,用于在待测信号中解调得到目标信号。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
图1是根据一示例性实施例示出的锁相放大器结构示意图；
图2是根据一示例性实施例示出的锁相放大器应用示意图一；
图3是根据一示例性实施例示出的锁相放大器应用示意图二；
图4是根据一示例性实施例示出的信号处理方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
在一般的锁定放大器使用外参考模式中，若参考信号为占空比极低(例如占空比为0.01%)的方波信号。因其第一谐波分量的能量很低，甚至无法正常测量得到该参考信号的幅度和相位。这会导致锁定放大器不能成功使用该参考信号。
针对上述情况，本公开提供一种锁相放大器。图1是根据一示例性实施例示出的锁相放大器结构示意图。如图1所示，该锁相放大器，包括：
测频模块10，用于对锁相放大器接收到的外参考信号进行信号分析，提取所述外参考信号的信号特征，所述外参考信号为占空比低于1%的脉冲信号；
脉冲整形模块11，用于根据所述信号特征，输出占空比为预定比例且信号频率与所述外参考信号的信号频率相同、上升沿同步的整形方波信号；其中，所述整形方波信号的占空比大于所述外参考信号的占空比；
相位校正模块12，用于根据所述信号特征及所述整形方波信号的占空比，确定相位差校准值，所述相位差校准值为所述整形方波信号相对于所述外参考信号由于占空比改变引起的第一谐波分量相位偏移量；
DDS信号模块15，用于根据所述信号特征，生成信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的本地DDS信号；
测相模块14，用于检测所述整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差实测值；
PID控制模块13，用于根据所述相位差校准值和所述相位差实测值，调节所述本地DDS信号的相位，使得所述相位差校准值与所述相位差实测值之和趋于零。
在本示例性实施例中，由于在一般的锁定放大器使用外参考模式中，若参考信号为占空比极低(例如占空比为0.01%)的方波信号。因其第一谐波分量的能量很低，甚至无法正常测量得到该参考信号的幅度和相位。因此本申请中将第一谐波分量进行能量提升来使得测相模块可以检测到整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差，来调整本地DDS信号的相位使得所述外参考信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差趋近于零，得到频率与所述外参考信号的第一谐波分量的频率相同，且相位与所述外参考信号的第一谐波分量的相位相同的本地DDS信号。
首先，因为不知道参考信号的频率,参考信号记作Signal_ref。通过测频模块10进行信号分析时，针对不同的频率范围开不同的时间窗，在预定时间窗T内计数信号的上升沿个数N。那么信号周期T_p = T/N。同时输出上升沿信号Signal_Pos，信号最大值Signal_max、信号最小值Signal_min以及占空比Signal_duty给到下一级脉冲整形模块。
其次，脉冲整形模块11得到信号的周期T_p和上升沿位置，从而对已有信号进行整形得到一个占空比约为50%的信号Signal_Out。输出整形方波信号流程如下：
在一个上升沿信号时，Signal_Out=Signal_max,持续时间为T_p/2，即信号周期一半。接下来的T_p/2时间，Signal_Out = Signal_min，接下来的输出重复输出即可。即得到一个占空比为预定比例,周期为T_p的整形方波信号Signal_Out。其中，预定比例优选为50%，此时整形方波信号不存在直流分量，可使得整形方波信号的第一谐波分量能量最大化，以便于后续测相模块检测整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差，再结合上述的相位校准值得到外参考信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差。然后通过调整所述本地DDS信号间的相位，使得所述外参考信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差趋近于零，得到频率与所述外参考信号的第一谐波分量的频率相同，且相位与所述外参考信号的第一谐波分量的相位相同的本地DDS信号。
本申请中的锁相放大器集成有测频模块、脉冲整形模块、相位校正模块、DDS信号模块、测相模块及PID控制模块。通过上述各个模块的相互配合实现外参考信号的信号整形，提升第一谐波分量的能量，并进行第一谐波分量的相位校正。通过调整所述本地DDS信号间的相位，使得所述外参考信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差趋近于零，得到频率与外参考信号的第一谐波分量的频率相同，且相位与外参考信号的第一谐波分量的相位相同的本地DDS信号,用于在待测信号中解调得到目标信号。
在一些实施例中，所述信号特征包括所述外参考信号的频率；
所述脉冲整形模块11，用于根据所述外参考信号的频率，输出占空比为50%的所述整形方波信号，
所述DDS信号模块15，用于根据所述外参考信号的频率，生成所述本地DDS信号。
在本示例性实施例中，DDS信号模块生成的本地DDS信号与外参考信号的第一谐波分量的频率相同。
在一些实施例中，所述信号特征包括所述外参考信号的占空比；
所述相位校正模块12，用于根据所述外参考信号的占空比及所述整形方波信号的占空比，通过查找占空比-相位偏移表确定所述相位差校准值。
在本示例性实施例中，在做信号整形处理时，在其它不同占空比信号转成50%占空比信号时，虽然频率没有发生变化，但是第一谐波信号的初始相位发生了偏移变化。因此需要对此进行校正。把不同占空比信号转成50%占空比信号时相位的校正值放在一个查找表内。若查找表没有列举，则取前后值的均值作为校准值。信号相位的校准值记作Phase_cali输出到下一级测相模块。或，通过相位校正模块计算得到。本申请中不同占空比信号转成50%占空比信号时相位的校正值都可以通过相位校正模块计算得到。
在一些实施例中，所述测频模块10用于检测所述外参考信号的上升沿，并输出整形触发信号；
所述脉冲整形模块收到所述整形触发信号立即输出所述整形方波信号的上升沿，或者延迟nT时间后输出所述整形方波信号的上升沿，以输出上升沿与所述外参考信号同步的所述整形方波信号；其中，T为所述外参考信号的周期，n为大于或等于1的正整数。
在本示例性实施例中，测频模块检测所述外参考信号的上升沿，即在上升沿信号为1时，对所述外参考信号进行信号整形处理，或者延迟nT时间后，对所述外参考信号进行信号整形处理，输出所述整形方波信号，从而得到输出的占空比为50%、上升沿信号的信号值为所述外参考信号的信号最大值第一电平、下降沿信号的信号值为所述外参考信号的信号最小值第二电平及信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的整形方波信号。外参考信号为TTL信号。
其中，所述测频模块在预定时间窗内获取所述信号特征，且所述预定时间窗的时长大于T，所述信号特征包括所述预定时间窗内所述外参考信号的最大值第一电平和最小值第二电平；
所述整形方波信号的高电平等于所述第一电平，所述整形方波信号的低电平等于所述第二电平。
在本示例性实施例中，外参考信号的最大值第一电平作为整形方波信号的高电平；外参考信号的信号最小值第二电平作为整形方波信号的低电平。
在本示例性实施例中，输出占空比为50%、高电平的信号值为所述外参考信号的信号最大值、低电平的信号值为所述外参考信号的信号最小值及信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的整形方波信号。该整形方波信号的能量比外参考信号的能量进行了提高以保证测相模块检测出所述整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差，从而为调整本地DDS信号间的相位提供数据基础。
在一些实施例中，还包括：
解调模块，用于从待测信号中分离出目标信号，所述目标信号与所述本地DDS信号频率相同、或频率和相位均相同。
其中，待测信号可以为TTL器件输出的预定信号经过信号处理设备进行混合噪声、除杂滤波、微弱放大中至少一种处理方式进行信号处理后得到；或，
本地DDS信号经过信号处理设备进行混合噪声、除杂滤波、微弱放大中至少一种处理方式进行信号处理后得到。其中，解调模块包括加法器等用于信号解调。通过解调模块解调分离出TTL信号中的与本地DDS信号频率相同、或频率与相位均相同的第一谐波、二次谐波等目标信号。
本公开提供一种信号器件检测方法，应用上述各实施例所述的锁相放大器，且包括信号发生器件和信号处理器件。图2是根据一示例性实施例示出的锁相放大器应用示意图一。如图2所示，
所述信号发生器件（图2中的TTL器件）输出的信号分为至少两路，一路作为所述外参考信号输入所述测频模块，另一路输入所述信号处理器件（图2中的信号处理设备）进行处理；
所述信号处理器件输出待测信号，所述锁相放大器参考所述本地DDS信号从所述待测信号中分离出目标信号并检测所述目标信号的时域信息，所述目标信号与所述本地DDS信号频率相同、或频率和相位均相同。
如图2所示，锁相放大器包含有测频模块、脉冲整形模块、相位校正模块、DDS信号模块、测相模块及PID控制模块。锁相放大器可应用于对输入的信号进行解调。当外参考信号为占空比极低的TTL信号时，可对外参考信号进行信号处理得到频率与外参考信号的第一谐波分量的频率相同，且相位与外参考信号的第一谐波分量的相位相同的本地DDS信号。再通过本地DDS信号对输入的待测信号进行解调得到目标信号。其中，目标信号与本地DDS信号频率相同、或频率和相位均相同。例如，当需要了解TTL器件输出的特定信号经过信号处理设备（混合噪声、除杂滤波、微弱放大等处理）之后剩余的强度（幅度）和相位信息时，可应用锁相放大器进行上述检测。通过本地DDS信号在信号处理过的待测信号中解调出目标信号，得到处理过的信号中TTL信号的强度和相位（包括TTL信号中的与本地DDS信号相同的频率与相位的第一谐波、二次谐波的强度和相位）。其中，测频模块将信号特征发送给脉冲整形模块，脉冲整形模块在上升沿进行信号整形处理，相位校正模块根据TTL信号的原始占空比与0.5占空比进行相位校正得到相位差校正值；DDS信号模块根据TTL信号的频率生成信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的本地DDS信号。测相模块通过双相敏检测方法测量整形方波信号的第一谐波分量（整形脉冲）与本地DDS信号的相位差（相位差实测值）。PID控制模块结合相位差校正值和相位差实测值，进行PID调节，调整本地DDS信号的相位，使得“相位差校正值+相位差实测值”趋向于0，得到频率与外参考信号的第一谐波分量的频率相同，且相位与外参考信号的第一谐波分量的相位相同的本地DDS信号。
本公开提供一种信号器件检测方法，应用上述各实施例所述的锁相放大器，且包括信号发生器件和信号处理器件。图3是根据一示例性实施例示出的锁相放大器应用示意图二。如图3所示，
所述信号发生器件（图3中的TTL器件）输出的信号作为所述外参考信号输入所述测频模块，所述本地DDS信号分为至少两路，一路输入所述信号处理器件（图3中的信号处理设备）进行处理，另一路作为所述锁相放大器的参考；
所述信号处理器件输出待测信号，所述锁相放大器从所述待测信号中分离出目标信号并检测所述目标信号的时域信息，所述目标信号与所述本地DDS信号频率相同、或频率和相位均相同。
如图3所示，锁相放大器可应用于在本地信号被信号处理过后，对被信号处理过的信号进行解调来得到目标信号。解调过程中如果当外参考信号为占空比极低的TTL信号时，也可对外参考信号进行信号处理得到频率与外参考信号的第一谐波分量的频率相同，且相位与外参考信号的第一谐波分量的相位相同的本地DDS信号。再通过本地DDS信号对信号处理过的信号进行解调，得到目标信号的强度和相位。其中，对外参考信号的处理过程与图2相同，此处不再赘述。
针对低占空比方波信号作为锁相放大器外参考信号时，谐波能量低导致无法获取参考信号幅度和相位的问题，本申请提供了解决方案：
S1、检测外参考信号的频率、上升沿、信号最大值、信号最小值和原始占空比；
S2、根据S1获取的频率、上升沿、信号最大值、信号最小值和原始占空比，输出增大占空比（优选占空比50%）的整形脉冲，除占空比外，整形脉冲与参考信号频率、上升沿、信号最大值、信号最小值相同；
S2-3（该步骤既可与S2同步进行，也可与S3同步进行）、查表获取整形脉冲第一谐波相较于参考信号第一谐波的相位校准值；
S3、获取整形脉冲与本地DDS信号的相位差实测值，相位差实际值为相位校准值与相位差实测值之和，并通过PID控制调整本地DDS信号的相位，使相位差实际值为0。
上述解决方案实现了对低占空比方波外参考信号的有效使用（输出同频同相本地DDS信号，锁相放大器依本地DDS信号获取并检测目标信号）。
第四方面，本公开提供一种信号处理方法，应用于锁相放大器，包括：
接收外参考信号，对锁相放大器接收到的外参考信号进行信号分析，提取所述外参考信号的信号特征，所述外参考信号为占空比低于1%的脉冲信号；
根据所述信号特征，输出占空比为预定比例且信号频率与所述外参考信号的信号频率相同、上升沿同步的整形方波信号；其中，所述整形方波信号的占空比大于所述外参考信号的占空比；
根据所述信号特征及所述整形方波信号的占空比，确定相位差校准值，所述相位差校准值为所述整形方波信号相对于所述外参考信号由于占空比改变引起的第一谐波分量相位偏移量；
根据所述信号特征，生成信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的本地DDS信号；
检测所述整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差实测值；
根据所述相位差校准值和所述相位差实测值，调节所述本地DDS信号的相位，使得所述相位差校准值与所述相位差实测值之和趋近于零。
本公开提供一种信号处理方法，应用于锁相放大器。图4是根据一示例性实施例示出的信号处理方法流程图。如图4所示，信号处理方法，包括：
步骤40、接收外参考信号，对锁相放大器接收到的外参考信号进行信号分析，提取所述外参考信号的信号特征，所述外参考信号为占空比低于1%的脉冲信号；
步骤41、根据所述信号特征，输出占空比为预定比例且信号频率与所述外参考信号的信号频率相同、上升沿同步的整形方波信号；其中，所述整形方波信号的占空比大于所述外参考信号的占空比；
步骤42、根据所述信号特征及所述整形方波信号的占空比，确定相位差校准值，所述相位差校准值为所述整形方波信号相对于所述外参考信号由于占空比改变引起的第一谐波分量相位偏移量；
步骤43、根据所述信号特征，生成信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的本地DDS信号；
步骤44、检测所述整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差实测值；
步骤45、根据所述相位差校准值和所述相位差实测值，调节所述本地DDS信号的相位，使得所述相位差校准值与所述相位差实测值之和趋近于零。
在本示例性实施例中，由于在一般的锁定放大器使用外参考模式中，若参考信号为占空比极低(例如占空比为0.01%)的方波信号。因其第一谐波分量的能量很低，甚至无法正常测量得到该参考信号的幅度和相位。因此本申请中将第一谐波分量进行能量提升来使得测相模块可以检测到整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差，来调整本地DDS信号的相位使得所述外参考信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差趋近于零，得到频率与所述外参考信号的第一谐波分量的频率相同，且相位与所述外参考信号的第一谐波分量的相位相同的本地DDS信号。
首先，因为不知道参考信号的频率,参考信号记作Signal_ref。通过测频模块进行信号分析时，针对不同的频率范围开不同的时间窗，在固定时间窗T内计数信号的上升沿个数N。那么信号周期T_p = T/N。同时输出上升沿信号Signal_Pos，信号最大值Signal_max、信号最小值Signal_min以及占空比Signal_duty给到下一级脉冲整形模块。
脉冲整形模块得到信号的周期T_p和上升沿位置，从而对已有信号进行整形得到一个占空比约为50%的信号Signal_Out。具体流程如下：
在上升沿信号为1时，Signal_Out=Signal_max,持续时间为T_p/2，即信号周期一半。接下来的T_p/2时间，Signal_Out = Signal_min，接下来的输出重复输出即可。即得到一个占空比为预定比例,周期为T_p的整形方波信号Signal_Out。其中，预定比例优选为50%，此时整形方波信号不存在直流分量，可使得整形方波信号的第一谐波分量能量最大化，以便于后续测相模块检测整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差，再结合上述的相位校准值得到外参考信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差。然后通过调整所述本地DDS信号间的相位，使得所述外参考信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差趋近于零，得到频率与所述外参考信号的第一谐波分量的频率相同，且相位与所述外参考信号的第一谐波分量的相位相同的本地DDS信号。
在本示例性实施例中，在做信号整形处理时，在其它不同占空比信号转成50%占空比信号时，虽然频率没有发生变化，但是第一谐波信号的初始相位发生了偏移变化。因此需要对此进行校正。把不同占空比信号转成50%占空比信号时相位的校正值放在一个查找表内。若查找表没有列举，则取前后值的均值作为校准值。信号相位的校准值记作Phase_cali输出到下一级测相模块。或，通过相位校正模块计算得到。本申请中不同占空比信号转成50%占空比信号时相位的校正值都可以通过相位校正模块计算得到。
基于测相模块通过双相敏检测方法测量整形方波信号Signal_Out的第一谐波分量与本地DDS信号的相位差Phase_delta。
那么实际参考信号Signal_ref（外参考信号TTL的第一谐波分量）与本地DDS信号的相位差（外参考信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差）为：Phase_ref =Phase_delta + Phase_cali。把相位差Phase_ref 输入到下一级PID控制模块。
通过PID实时进行调节，让外参考Signal_ref与本地DDS信号的相位差Phase_ref趋近于0。
根据本公开实施例的信号处理方法，包括：接收外参考信号，对锁相放大器接收到的外参考信号进行信号分析，提取外参考信号的信号特征，外参考信号为占空比低于1%的脉冲信号；根据信号特征，输出占空比为预定比例且信号频率与外参考信号的信号频率相同、上升沿同步的整形方波信号；其中，整形方波信号的占空比大于外参考信号的占空比；根据信号特征及整形方波信号的占空比，确定相位差校准值，相位差校准值为整形方波信号相对于外参考信号由于占空比改变引起的第一谐波分量相位偏移量；根据信号特征，生成信号频率与外参考信号的信号频率相同的本地DDS信号；检测整形方波信号的第一谐波分量与本地DDS信号间的相位差实测值；根据相位差校准值和相位差实测值，调节本地DDS信号的相位，使得相位差校准值与相位差实测值之和趋近于零。本申请中的锁相放大器集成有测频模块、脉冲整形模块、相位校正模块、DDS信号模块、测相模块及PID控制模块。通过上述各个模块的相互配合实现外参考信号的信号整形，提升第一谐波分量的能量，并进行相位校正。通过调整所述本地DDS信号间的相位，使得所述外参考信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差趋近于零，得到频率与外参考信号的第一谐波分量的频率相同，且相位与外参考信号的第一谐波分量的相位相同的本地DDS信号,用于在输入信号中解调得到目标信号。
在一些实施例中，所述信号特征包括所述外参考信号的频率；
所述信号处理方法，包括：
根据所述外参考信号的频率，输出占空比为50%的所述整形方波信号，
根据所述外参考信号的频率，生成所述本地DDS信号。
在本示例性实施例中，DDS信号模块生成的本地DDS信号与外参考信号的第一谐波分量的频率相同。
在一些实施例中，所述信号特征包括所述外参考信号的占空比；
信号处理方法，包括：
根据所述外参考信号的占空比及所述整形方波信号的占空比，通过查找占空比-相位偏移表确定所述相位差校准值。
在本示例性实施例中，在做信号整形处理时，在其它不同占空比信号转成50%占空比信号时，虽然频率没有发生变化，但是第一谐波信号的初始相位发生了偏移变化。因此需要对此进行校正。把不同占空比信号转成50%占空比信号时相位的校正值放在一个查找表内。若查找表没有列举，则取前后值的均值作为校准值。信号相位的校准值记作Phase_cali输出到下一级测相模块。或，通过相位校正模块计算得到。本申请中不同占空比信号转成50%占空比信号时相位的校正值都可以通过相位校正模块计算得到。
在一些实施例中，所述测频模块用于检测所述外参考信号的上升沿，并输出整形触发信号；
所述脉冲整形模块收到所述整形触发信号立即输出所述整形方波信号的上升沿，或者延迟nT时间后输出所述整形方波信号的上升沿，以输出上升沿与所述外参考信号同步的所述整形方波信号；其中，T为所述外参考信号的周期，n为大于或等于1的正整数。
在本示例性实施例中，测频模块检测所述外参考信号的上升沿，即在上升沿信号为1时，对所述外参考信号进行信号整形处理，或者延迟nT时间后，对所述外参考信号进行信号整形处理，输出所述整形方波信号，从而得到输出的占空比为50%、上升沿信号的信号值为所述外参考信号的信号最大值第一电平、下降沿信号的信号值为所述外参考信号的信号最小值第二电平及信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的整形方波信号。外参考信号为TTL信号。
其中，所述测频模块在预定时间窗内获取所述信号特征，且所述预定时间窗的时长大于T，所述信号特征包括所述预定时间窗内所述外参考信号的最大值第一电平和最小值第二电平；
所述整形方波信号的高电平等于所述第一电平，所述整形方波信号的低电平等于所述第二电平。
在本示例性实施例中，外参考信号的最大值第一电平作为整形方波信号的高电平；外参考信号的信号最小值第二电平作为整形方波信号的低电平。
在本示例性实施例中，输出占空比为50%、高电平的信号值为所述外参考信号的信号最大值、低电平的信号值为所述外参考信号的信号最小值及信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的整形方波信号。该整形方波信号的能量比外参考信号的能量进行了提高以保证测相模块检测出所述整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差，从而为调整本地DDS信号间的相位提供数据基础。
在一些实施例中，信号处理方法，还包括：
从待测信号中分离出目标信号，所述目标信号与所述本地DDS信号频率相同、或频率和相位均相同。
其中，待测信号可以为TTL器件输出的预定信号经过信号处理设备进行混合噪声、除杂滤波、微弱放大中至少一种处理方式进行信号处理后得到；或，
本地DDS信号经过信号处理设备进行混合噪声、除杂滤波、微弱放大中至少一种处理方式进行信号处理后得到。其中，解调模块包括加法器等用于信号解调。通过解调模块解调分离出TTL信号中的与本地DDS信号频率相同、或频率与相位均相同的第一谐波、二次谐波等目标信号。
本公开提供一种计算机可读存储介质，其上存储有信号处理程序，该信号处理程序被处理器执行时，实现上述各实施例所述的信号处理方法。
本公开提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的信号处理程序，所述处理器执行所述信号处理程序时，实现上述各实施例所述的信号处理方法。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本公开的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
此外，本公开实施例中所使用的“第一”、“第二”等术语，仅用于描述目的，而不可以理解为指示或者暗示相对重要性，或者隐含指明本实施例中所指示的技术特征数量。由此，本公开实施例中限定有“第一”、“第二”等术语的特征，可以明确或者隐含地表示该实施例中包括至少一个该特征。在本公开的描述中，词语“多个”的含义是至少两个或者两个及以上，例如两个、三个、四个等，除非实施例中另有明确具体的限定。
在本公开中，除非实施例中另有明确的相关规定或者限定，否则实施例中出现的术语“安装”、“相连”、“连接”和“固定”等应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以理解的，也可以是机械连接、电连接等；当然，还可以是直接相连，或者通过中间媒介进行间接连接，或者可以是两个元件内部的连通，或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，能够根据具体的实施情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本公开的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本公开的限制，本领域的普通技术人员在本公开的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种锁相放大器，其特征在于，包括：
测频模块，用于对锁相放大器接收到的外参考信号进行信号分析，提取所述外参考信号的信号特征，所述外参考信号为占空比低于1%的脉冲信号；
脉冲整形模块，用于根据所述信号特征，输出占空比为预定比例且信号频率与所述外参考信号的信号频率相同、上升沿同步的整形方波信号；其中，所述整形方波信号的占空比大于所述外参考信号的占空比；
相位校正模块，用于根据所述信号特征及所述整形方波信号的占空比，确定相位差校准值，所述相位差校准值为所述整形方波信号相对于所述外参考信号由于占空比改变引起的第一谐波分量相位偏移量；
DDS信号模块，用于根据所述信号特征，生成信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的本地DDS信号；
测相模块，用于检测所述整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差实测值；
PID控制模块，用于根据所述相位差校准值和所述相位差实测值，调节所述本地DDS信号的相位，使得所述相位差校准值与所述相位差实测值之和趋于零。
2.根据权利要求1所述的锁相放大器，其特征在于，所述信号特征包括所述外参考信号的频率；
所述脉冲整形模块，用于根据所述外参考信号的频率，输出占空比为50%的所述整形方波信号，
所述DDS信号模块，用于根据所述外参考信号的频率，生成所述本地DDS信号。
3.根据权利要求1所述的锁相放大器，其特征在于，所述信号特征包括所述外参考信号的占空比；
所述相位校正模块，用于根据所述外参考信号的占空比及所述整形方波信号的占空比，通过查找占空比-相位偏移表确定所述相位差校准值。
4.根据权利要求1所述的锁相放大器，其特征在于，所述测频模块用于检测所述外参考信号的上升沿，并输出整形触发信号；
所述脉冲整形模块收到所述整形触发信号立即输出所述整形方波信号的上升沿，或者延迟nT时间后输出所述整形方波信号的上升沿，以输出上升沿与所述外参考信号同步的所述整形方波信号；其中，T为所述外参考信号的周期，n为大于或等于1的正整数。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的锁相放大器，其特征在于，还包括：
解调模块，用于从待测信号中分离出目标信号，所述目标信号与所述本地DDS信号频率相同、或频率和相位均相同。
6.根据权利要求4所述的锁相放大器，其特征在于，所述测频模块在预定时间窗内获取所述信号特征，且所述预定时间窗的时长大于T，所述信号特征包括所述预定时间窗内所述外参考信号的最大值第一电平和最小值第二电平；
所述整形方波信号的高电平等于所述第一电平，所述整形方波信号的低电平等于所述第二电平。
7.一种信号器件检测方法，其特征在于，应用权利要求1-4中任一所述的锁相放大器，且包括信号发生器件和信号处理器件；
所述信号发生器件输出的信号分为至少两路，第一路信号作为所述外参考信号输入所述测频模块，第二路信号输入所述信号处理器件进行处理；
所述信号处理器件输出待测信号，所述锁相放大器参考所述本地DDS信号从所述待测信号中分离出目标信号并检测所述目标信号的时域信息，所述目标信号与所述本地DDS信号频率相同、或频率和相位均相同。
8.一种信号器件检测方法，其特征在于，应用权利要求1-4中任一所述的锁相放大器，且包括信号发生器件和信号处理器件；
所述信号发生器件输出的信号作为所述外参考信号输入所述测频模块，所述本地DDS信号分为至少两路，一路输入所述信号处理器件进行处理，另一路作为所述锁相放大器的参考；
所述信号处理器件输出待测信号，所述锁相放大器从所述待测信号中分离出目标信号并检测所述目标信号的时域信息，所述目标信号与所述本地DDS信号频率相同、或频率和相位均相同。
9.一种信号处理方法，其特征在于，应用于锁相放大器，包括：
接收外参考信号，对锁相放大器接收到的外参考信号进行信号分析，提取所述外参考信号的信号特征，所述外参考信号为占空比低于1%的脉冲信号；
根据所述信号特征，输出占空比为预定比例且信号频率与所述外参考信号的信号频率相同、上升沿同步的整形方波信号；其中，所述整形方波信号的占空比大于所述外参考信号的占空比；
根据所述信号特征及所述整形方波信号的占空比，确定相位差校准值，所述相位差校准值为所述整形方波信号相对于所述外参考信号由于占空比改变引起的第一谐波分量相位偏移量；
根据所述信号特征，生成信号频率与所述外参考信号的信号频率相同的本地DDS信号；
检测所述整形方波信号的第一谐波分量与所述本地DDS信号间的相位差实测值；
根据所述相位差校准值和所述相位差实测值，调节所述本地DDS信号的相位，使得所述相位差校准值与所述相位差实测值之和趋近于零。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有信号处理程序，该信号处理程序被处理器执行时，实现权利要求9所述的信号处理方法。
11.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的信号处理程序，所述处理器执行所述信号处理程序时，实现权利要求9所述的信号处理方法。
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