CN1750384A - 具有带禁用功能的运算放大器的信号解调电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用锁定检测方法的用于简单实现作为测量仪器的核心电路的解调电路的方案。本发明提供包括反相放大电路和低通滤波器电路的信号解调电路。反相放大电路具有带禁用功能的运算放大器。将低通滤波器电路电气连接至反相放大电路的输出端以输出信号波形。因此，本发明提供一种信号解调电路，其具有简化的构造，从而减少电路尺寸，当处理多信道信号时或当电路空间有限时，能够实现解调电路，并且极大地减少生产成本和能量消耗。

Description

具有带禁用功能的运算放大器的信号解调电路

技术领域

本发明涉及使用锁定检测方法的用于简单实现作为测量仪器的核心电路的解调电路的方案。

背景技术

在普通测量中，使用放大器的信号放大依赖于放大器的噪声特性。多数放大器在低频带具有1/f的噪声特性，使得难以分离小信号。如果待测量的信号具有由目标任意产生的强度，则必须不可避免地使用在整个频带上具有很低噪声的放大器。但是，当测量用户需要应用任意信号并测量信号反应以测量物理属性，比如电阻时，如果使用锁定(lock-in)放大方法是可能测量很低噪声的。锁定放大方法是将具有特定频率的物理量应用于待测的目标物体或系统，将目标产生的响应物理量转换为电压或电流信号，并解调电压或电流信号以精确地测量用于待测目标物体或系统的特定变量的响应特性。即，由于锁定放大方法测量响应的强度，放大电路的高频带的噪声特性变成测量的噪声电平。这显示可以实现大大低于简单放大方法的测量噪声，在简单放大方法中增加到1/f的低频噪声变成测量的主要噪声电平。

锁定电路的核心部分包括在调制频带中具有低噪声系数的放大器、解调电路，和比如低通滤波器的信号后处理电路。一般地，解调电路使用模拟乘法IC，其使用调用乘法器的吉尔伯特单元，且该解调电路工作以将放大的测量目标信号乘以调制频率信号，并在通过乘法获得的信号上完成低通滤波，或使用开关电路并工作以通过+1或-1的放大增益来转换放大的测量目标信号并且在转换结果信号上完成低通滤波。如果使用了模拟乘法IC，简化了解调电路，但是，通常来说，在增加当前的消耗和成本方面存在缺点，并且在执行一次性处理大量信号的多信道信号处理时增加了解调电路的尺寸。具有开关IC和+1或-1的放大增益的解调电路在其成本略低于使用模拟乘法IC的解调电路的成本方面是有益的，但是因为其必须使用单独的电路，在执行多信道处理时也增加了解调电路的尺寸，这是不利的。

发明内容

因此，考虑发生在现有技术中的上述问题而做出本发明，并且本发明的目标是提供一种信号解调电路，其被使用具有禁用功能的运算放大器以反相增益模式简单地建造，使得可以简化解调电路，并且可以减小其尺寸，从而在处理多信道信号或电路空间有限时使得能够实现解调电路，并且大大地减少生产成本和能耗。

为了达到上述目标，本发明提供一种信号解调电路，其包含具有带禁用功能的运算放大器的反相放大电路，以及低通滤波电路，其电气连接到反相放大电路的输出端以输出信号波形。

优选的，该低通滤波电路可包含具有电阻和电容的RC积分器。优选的，RC积分器的电阻可具有一电阻值，调整该电阻值以使在带禁用功能的运算放大器的启用模式中流入电容的电流与在运算放大器的禁用模式中流入电容的电流之和为“0”。

根据上述解释，解调电路通过使反向放大电路在反相放大幅度调制信号时，仅在禁用模式中具有非反相状态而得到输出信号，并且仅允许输出信号的低频分量通过，从而解调已调制的信号为有用信号。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的解调电路的电路图；

图2是根据本发明的第二实施例的解调电路的电路图；

图3是示出了当20KHz的正弦波应用于图2的解调电路，并且使用同步的方波切换运算放大器的禁用模式时，运算放大器的输出的曲线图(R1＝R2＝500，R3＝10K，R5＝50)；

图4是示出了当以2KHz的频率幅度调制的20KHz正弦波应用在图2的解调电路，并且使用以20KHz频率同步的方波切换运算放大器的禁用模式时，运算放大器的输出的曲线图(R1＝R2＝500，R3＝10K，R5＝50，C＝10nF)；和

图5是示出了当以500Hz的频率幅度调制的20KHz正弦波应用在图2的解调电路，并且使用以20KHz的频率同步的方波切换运算放大器的禁用模式时，运算放大器的输出的曲线图(R1＝R2＝500，R3＝10K，R5＝50，C＝10nF)。

具体实施方式

以下，参考附图详细描述本发明的优选实施例。

根据本发明的第一实施例的解调电路包括反相放大电路，其包括具有禁用功能的运算放大器，和其间具有确定联系的电阻器，以及与反相放大电路相连的RC积分器电路。

运算放大器包括两种运算模式，其一为启用模式而另一为禁用模式。前者操作一般放大功能，后者不操作具有断电的一般放大。具有禁用模式功能的运算放大器可以控制运算模式，其或者为允许模式或者为禁用模式。

图1中，示出了本发明的信号解调电路。

参考图1，本发明的信号解调电路包括反相放大电路以及与反相放大电路的输出相连的RC积分电路。

反相放大电路由运算放大器和两个电阻组成，这两个电阻分别为输入电阻R1和反馈电阻R2。输入电阻R1和输出电阻R2与运算放大器相连以在启用模式中作为反相放大器工作。输入电阻R1串联连接运算放大器的反相输出部分，反馈电阻R2连接在反相输入部分与输出部分之间构成反相放大电路。

RC积分器电路滤除低频信号。RC积分器电路包括电容C和电阻器R3。将电容C串联地连接至电阻器R3。电阻器R3与反相放大器电路的输出相连。来自反向放大电路并通过电阻器R3的电流流向电容C并对电容C充电。

参考图1，根据本发明的第一实施例的解调电路包括具有-R2/R1的放大增益的反相电路。从电容C的角度来说，反相电路由具有输出电阻器R3的电路实现。

禁用运算放大器的特性在于其输入/输出在禁用模式中变为开路状态(高阻状态)。在禁用状态中，由于输入和输出变成开路模式的状态，运算放大器看起来是不存在，并且变成从电容C的角度看仅简单地具有对应于(R1+R2+R3)的电阻的电路。

解调电路在输入信号中检测具有特殊频率的输出信号。输出信号值不为“0”。输出信号是电容C的两端节点中形成的电压，且电压改变为流入电容C的电荷的量。

定义电容C的两端节点中形成的电压为Vc，在启用模式中由于运算放大器表现为反相放大器，将流入电容C的电流定义为

并且在禁用模式中，为

电流由两个因数组成。其一为输入信号S_in，另一为电容C的两端节点中形成的电压。

通常，低频滤波电路的电阻值相对大于运算放大器的电阻值。

与

(其是在流入电容C的电流中电容C的两端节点中形成的电压的因数)为几乎相等的值，因为R3的阻值相对大于输入电阻R1和输出电阻R2的和R1+R2。

在流入电容C的电流中由输入信号S_in产生的电流在启用模式和禁用模式中具有不同的方向。因此，以启用模式和禁用模式中的不同的方向累积电荷，并且电容C的两端节点中形成的电压在每一种模式，即启用模式和禁用模式中，具有相反的符号。

在信号解调电路中，如果运算放大器在启用模式和禁用模式中具有相同的时间，电容C的两端节点中形成的电压在启用模式和禁用模式中具有不同符号的相同电压值。因此，电容C的两端节点中形成的电压产生的电流对输出信号没有贡献，并且在启用模式中假设电流

流入电容(C)，并且在禁用模式中假设电流

流入电容。

在流入电容C的电流中由输入信号S_in产生的电流在启用模式和禁用模式中具有不同的方向。如果放大器随从启用模式到禁用模式的周期而改变，累积的电荷量为输入信号产生的电流所抵消。

如果运算放大器的启用模式的持续时间和禁用模式的持续时间彼此相同，且如果输入电阻器R1，反馈电阻器R2和RC积分器的电阻器R3分别具有阻值使得流入电容C的电流的幅度在启用模式和禁用模式中彼此相等，那么不具有与输入信号中的特定频率相同的频率的分量不影响输出信号。这是因为由该分量产生的电流在启用模式中累积的电荷与在禁用模式中积累的电荷互相抵消。特定频率是运算放大器的状态在启用模式和禁用模式之间循环改变的频率。

在解调电路中，运算放大器的状态在启用模式和禁用模式之间根据运算放大器的功率输入信号改变。优选的，运算放大器的启用模式的持续时间与禁用模式的持续时间彼此相同。运算放大器的状态根据以具有特定频率的方波的形状的功率输入信号循环地改变。

以下，示出了找出输入电阻器R1、反馈电阻器R2和RC积分器的电阻器R3的电阻值(其使得在运算放大器的启用模式中由输入信号Sin产生的电流与在运算放大器的禁用模式中由输入信号Sin产生的电流之和“0”)，使得在启用模式和禁用模式中由输入信号产生的电流累积的电荷互相抵消。尽管输入信号Sin包含具有各种频率的分量，因为不具有特定频率的分量不影响输出信号，为了计算方便将其视为恒量。

当S_in为恒量时如果两电流之和为0，那么完成解调电路，使得可调节电阻值的比率以满足关系式 $\frac{1}{R1+R2+R3}=\frac{R2}{R1\·R3}.$ 如果为了简化计算设R2/R1＝x且R3/R1＝y，x和y满足x²+(1+y)x-y＝0，可以从等式 $\frac{1}{1+x+y}=\frac{x}{y}$ 或y＝x(1+x+y)＝x²+(1+y)x确定。既然这样，更简单的，如果y＝1，可得到 $x=\sqrt{5}-2=0.236....$ 因此，如果R2＝0.236R1，且R3＝R1，即可完成解调电路。

其间，如果将电阻阵列用于多通道模式，通常进一步简化电路的制造。在电阻阵列中，因为电阻器的值相同，如果反相放大电路的输入电阻器R1和反馈电阻器R2在图1的电路中具有彼此相同的阻值(R1＝R2)，则可简化电路。但是，使用上述方法难以获得合适的y值。解决该难点的一个方法是添加电阻器至输入终端。实际上，因为S_in可具有输出电阻器，此模型变得更具实际意义。可将此模型通过图2的电路的具体实现，图2示出根据本发明的第二实施例的解调电路。

在图2中，如果Sin的输出电阻器为R5(输入信号的输出电阻器)，电阻值需要满足条件 $\frac{1}{R5+R1+R2+R3}=\frac{R2}{(R5+R1)\·R3}$ 以使在运算放大器的启用模式和禁用模式两者中流入电容(C)的电流之和为0。在上面的等式中，如果意在令R1＝R2，并且R5/R1＝x且R3/R1＝y，以简化计算，可得 $\frac{1}{x+y+2}=\frac{1}{(x+1)\·y},$ 使得在(x+1)y＝x+y+2或x(y-1)＝2中仅需满足 $y=\frac{2}{x}+1.$ 既然这样，如果反相放大电路的输入电阻器R1、反馈电阻器R2和输入信号的输出电阻器R5具有彼此相同的阻值(R1＝R2＝R5)，RC积分器的电阻器R3具有3倍于反相放大电路的输入电阻器R1的阻值(R3＝R1)。优选的，RC积分器的电阻器R3具有高于反相放大电路的输入电阻器R1的阻值，更优选地，RC积分器的电阻器R3的阻值是输入电阻器R1的阻值的两倍或更高。

在执行低通滤波时，优选的，通过增加作为电容的电容值与电阻器的阻值的乘积的时间常数，防止电容C两端节点中形成的电压值的巨大变化。但是，电容C的电容值通常有限，使得当使用具有高阻值的电阻器R3时低通滤波更加有效。因此，如果反相放大电路的输入电阻器R1不具有高阻值，使用其它组合更有效。例如，为了执行设计以满足R5＜R1＜R3，在上述等式中满足x＜＜y，使得仅需要满足R5＝50，R1＝500且R3＝10K，以获得xy＝2。

优选的，RC积分器的电阻器具有等于或高于反相放大电路的输入电阻器和反馈电阻器的十倍的阻值。

图3示出了图2的电路的输出结果。线B表示具有20KHz频率的输入信号，线A表示具有40KHz的解调信号(输入终端R3处的信号)，线C表示具有与输入信号中20KHz频率分量成正比的直流(DC)值的波形，因为40KHz的频率成分被RC滤波器衰减。

图4示出了当解调幅度调制信号时，运算放大器的输出终端的信号和RC滤波后获得的信号。线C表示具有2KHz频率(其是幅度调制信号的频率)，并且具有与幅度调制程度成正比的幅度的信号。然而，可以看到，因为作为幅度调制频率的2KHz是不可忽略地低于作为RC电路的谐振点频率的10KHz的，所以产生相位差。

图5示出了幅度调制频率低的实例。图5中，可以看到，当在500Hz频率处执行幅度调制时，相移进一步减少。

因此，本发明提供一种信号解调电路，其具有简化的结构，从而减少电路的尺寸，当处理多信道信号时或当电路空间有限时，能够实现解调电路，并且极大地减少生产成本和能耗。

尽管出于说明目的公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到，在不脱离如附加权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、附加和替换是可能的。

Claims (13)

1.一种信号解调电路，其包括：

反相放大电路，其具有带禁用功能的运算放大器；和

低通滤波器电路，其电气连接至反相放大电路的输出端以输出信号波形。

2.如权利要求1所述的信号解调电路，其中，该反相放大电路包括具有禁用功能的运算放大器，和其一端连接至运算放大器的反相输入端的输入电阻器，以及连接在运算放大器的反相输入端和输出端之间的反馈电阻器。

3.如权利要求2所述的信号解调电路，其中，该输入电阻器和反馈电阻器具有相同的电阻值。

4.如权利要求2所述的信号解调电路，其中，该低通滤波器电路包括具有电阻器和电容器的RC积分器。

5.如权利要求4所述的信号解调电路，其中，该RC积分器的电阻器具有被关于反相放大电路的输入电阻器和反馈电阻器的电阻值调整的电阻值，使得在带禁用功能的运算放大器的启用模式中流入电容器的电流与在运算放大器的禁用模式中流入电容器的电流之和为“0”。

6.如权利要求4所述的信号解调电路，其中，该RC积分器的电阻器具有相比反相放大电路的输入电阻器和反馈电阻器的电阻值高达两倍或更多倍的电阻值。

7.如权利要求4所述的信号解调电路，其中，该RC积分器的电阻器具有相比反相放大电路的输入电阻器和反馈电阻器的电阻值高达十倍或更多的电阻值。

8.如权利要求2所述的信号解调电路，其中，该反相放大电路的输入电阻器和反馈电阻器属于相同的电阻阵列。

9.如权利要求2所述的信号解调电路，还包括串联地连接至反相放大电路的输入端的输入信号的输出电阻器。

10.如权利要求9所述的信号解调电路，其中，该输入信号的输出电阻器具有低于反相放大电路的输入电阻器和反馈电阻器的电阻值的电阻值。

11.如权利要求1所述的信号解调电路，其中，该运算放大器的状态在启用模式和禁用模式之间从一个到另一个循环改变。

12.如权利要求11所述的信号解调电路，其中，该运算放大器的启用模式的持续时间和禁用模式的持续时间是彼此相同的。

13.如权利要求11所述的信号解调电路，该运算放大器的状态根据方波形状的用于运算放大器的能量输入信号而改变。

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