CN203872140U - 一种用于荧光信号解调的正交锁相放大器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于荧光信号解调的正交锁相放大器装置，包括信号解调模块、D/A转换电路、光源驱动电路、光电转换电路、滤波电路、A/D采样电路、显示模块，所述信号解调模块包括函数发生器DDS模块、第一相敏检波器模块、第二相敏检波器模块、第一FIR滤波器模块、第二FIR滤波器模块、SOPC处理模块。本实用新型可以保证荧光信号解调系统互相关算法中待测信号和参考信号频率的一致性，根据实际需要控制所述函数发生器DDS模块产生相应频率的驱动信号及参考信号，电路结构简单，具有高精度、高线性度、很好的灵活性等优点。

Description

一种用于荧光信号解调的正交锁相放大器装置

技术领域

本实用新型涉及光电检测技术领域，具体涉及一种用于荧光信号解调的正交锁相放大器装置。

背景技术

在光电检测系统中，荧光信号应用较为广泛，荧光是指某些物质受光照射激发能发射比激发光波长更长的光。此物质能从外界吸收并储存能量(如光能、化学能等)，并进入激发态；当其从激发态再回到基态时，过剩的能量以电磁辐射的形式放射(即发光)。在应用中由于受光源光功率、光电探测器响应度及各种信号光、环境光、光电探测器和电子电路的影响，接收到的光电调制信号通常很微弱，它常常被噪声所淹没，为了滤去噪声干扰获得稳定的信号输出，需要采用微弱信号检测技术。

传统的荧光信号解调系统采用窄带滤波器设计方法，需要相敏检波器和积分器等电路，虽然能够将信号提取出来，但相关器件的响应曲线非线性、器件的精度等方面的因素都会导致其精度和信号的频带不能达到所需指标，而且计算量大、完成计算的时间长、严重地限制了数字锁相检测的速度和被检测信号的频率，同时外部待测信号与参考信号的频率很难达到准确的一致，不能保证解调系统的相关算法中频率的一致性，导致最终测量结果的精确度不能达到指标。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于荧光信号解调的正交锁相放大器装置，可以保证荧光信号解调系统互相关算法中待测信号和参考信号频率的一致性，根据实际需要控制所述函数发生器DDS模块产生相应频率的驱动信号及参考信号，电路结构简单，具有高精度、高线性度、很好的灵活性等优点。

一种用于荧光信号解调的正交锁相放大器装置，包括信号解调模块、D/A转换电路、光源驱动电路、光电转换电路、滤波电路、A/D采样电路、显示模块、直流电源，其中所述信号解调模块包括函数发生器DDS模块、第一相敏检波器模块、第二相敏检波器模块、第一FIR滤波器模块、第二FIR滤波器模块、SOPC处理模块，所述函数发生器DDS模块产生两路互相正交的参考信号和一路驱动信号，其中驱动信号作为输出通过所述D/A转换电路与所述光源驱动电路的输入端连接以发送光束，两路正交参考信号分别作为输出与所述第一相敏检波器模块、第二相敏检波器模块的第一信号输入端相连，所述光电转换电路的输入端接收相位改变后的光束作为待测信号，所述光电转换电路的输出端通过所述滤波电路与所述A/D转换电路的输入端连接，所述A/D转换电路的输出端与所述第一相敏检波器模块和第二相敏检波器模块的第二输入端连接，所述第一相敏检波器模块和第二相敏检波器模块的输出端分别与所述第一FIR滤波器模块和第二FIR滤波器模块的输入端相连，所述第一FIR滤波器模块和第二FIR滤波器模块的输出端与所述SOPC处理模块的输入端连接，所述显示模块的输入端与所述SOPC处理模块的输出端相连。

进一步的，还包括与所述信号解调模块、所述光源驱动电路、所述光电转换电路、所述滤波电路连接的直流电源。

本实用新型用于荧光信号解调的正交锁相放大器装置，可以同时给出驱动信号和正交参考信号，同时对被测信号进行矢量分析，通过由所述函数发生器DDS模块产生一路驱动信号后经所述DA模块、光源驱动模块发送光束、光电转换模块接收光束作为待测信号、滤波电路，再经所述AD模块采样后送入相敏检波器中，保证了相关算法中待测信号和参考信号频率的一致性，可根据实际需要控制所述函数发生器DDS模块产生相应频率的驱动信号，功能操作简单。

附图说明

图1为本实用新型的锁相放大器的电路原理框图。

图中：1—信号解调模块，2—D/A转换模块，3—光源驱动电路，4—光电转换电路，5—滤波电路，6—A/D采样电路，7—显示模块，8—直流电源，11—函数发生器DDS模块，12—第一相敏检波器，13—第二相敏检波器，14—第一FIR滤波器模块，15—第二FIR滤波器模块，16—SOPC处理模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本实用新型用于荧光信号解调的正交锁相放大器装置的电路原理框图，所述用于荧光信号解调的正交锁相放大器装置包括信号解调模块1、D/A转换电路2、光源驱动电路3、光电转换电路4、滤波电路5、A/D采样电路6、显示模块7、直流电源8。

所述信号解调模块用于产生驱动信号和实现微弱信号检测，包括函数发生器DDS模块11、第一相敏检波器12、第二相敏检波器13、第一FIR滤波器模块14、第二FIR滤波器模块15、SOPC处理模块16。

所述函数发生器DDS模块11，用户通过平台控制信号发生器所要产生信号的频率、幅值，用于产生三路信号，分别为两路互相正交的参考信号和一路驱动信号，实现对参考信号和驱动信号频率、幅值和相位的设置。

所述函数发生器DDS模块11中产生的一路驱动信号作为输出与所述D/A转换电路2输入端相连，实现数字信号转换成模拟信号，用于光源驱动电路的输入。所述函数发生器DDS模块11中产生的另外两路正交参考信号分别作为输出与所述第一相敏检波器模块12、第二相敏检波器模块13的第一信号输入端相连，实现参考信号和待测信号相乘。

所述D/A转换电路2的输出端连接所述光源驱动电路3输入端，用于将数字信号转换为模拟信号。所述光源驱动电路3接收D/A转换电路2输出的模拟信号驱动光源发光，所述光电转换电路4输入端接收已改变相位(可通过在光源驱动电路3和光电转换电路4之间设置传感膜实现)的光信号，并将其转化为电信号作为待测信号，所述光电转换电路4的输出与所述滤波电路5的输入相连，所述滤波电路5的输出端通过所述A/D采样电路6与所述第一相敏检波器模块12、第二相敏检波器模块13的第二信号输入端信号连接，滤波电路5用于滤去待测信号中的直流成分，A/D采样电路6用于将模拟信号转换为数字信号后送入信号解调模块1。所述第一相敏检波器12和第二相敏检波器模块13的输出端分别与所述第一FIR滤波器模块14、第二FIR滤波器模块15的输入端连接。

所述第一FIR滤波器模块14、第二FIR滤波器模块15的输出端与所述SOPC处理模块16的输入端相连，实现对测试数据的计算处理，所述SOPC处理模块16的输出通过平台的输出引脚与显示模块5连接，实现对测试结果的显示。

所述信号解调模块1根据所述双通道信号解调算法通过所述函数发生器DDS模块11、所述第一相敏检波器模块12、所述第二相敏检波器模块13和所述第一FIR滤波器模块14、所述第二FIR滤波器模块15得到待测信号的相位和幅值的测量数据，然后通过所述SOPC处理模块16对测量数据进行运算处理，最后与所述外部显示模块5相连，实现测量结果的显示。

所述信号解调模块1作为本实用新型的主控制器，用于产生驱动信号，基于互相关检测原理的微弱信号检测系统，它基于以下方法来抑制噪声：用相敏检波器实现两信号相乘的功能，可以同时利用频率和相位进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低。相敏检波器以参考信号为基准，对有用信号进行相敏检测，再经低通滤波输出直流信号，从而达到既鉴幅又鉴相的目的。

设信号输入为

x(t)＝V_scos(w₀t+q)+n(t)

其中余弦参考信号输入为

r(t)＝cos(w₀t)

式中，V_s是被测信号的幅值，w₀是载波频率，q是信号与参考的相位差，n(t)是加性白噪声。则相敏检波器的输出为

$u_p=x\left(t\right)r\left(t\right)=\frac{1}{2}{V}_s\cos \mathrm{\θ}+\frac{1}{2}{V}_s\cos (2{\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\θ})+n\left(t\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)$

式中第一项为差频分量，第二项为和频分量。上式说明，相敏检波器将载频为w₀的信号频谱迁移到w＝0和w＝2w₀处。u_p(t)经低通滤波器滤除和频分量和通带外的噪声后得到的输出为

$I=\frac{1}{2}{V}_s\cos \mathrm{\θ}$

同理，对于正弦参考信号经相敏检波器和低通滤波器后的输出为

$Q=\frac{1}{2}{V}_s\sin \mathrm{\θ}$

由这两路输出可以计算被测信号的幅值和相位

$V_s=2\sqrt{I^2+Q^2}$

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{Q}{I}\right)$

通过由所述函数发生器DDS模块11产生一路驱动信号后经所述D/A转换电路2、光源驱动电路3发送光束、光电转换电路4接收相位变化后的光束作为待测信号、滤波电路5，再经所述A/D采样电路6采样后送入相敏检波器中，保证了相关算法中待测信号和参考信号频率的一致性，可根据实际需要控制所述函数发生器DDS模块产生相应频率的驱动信号，功能实现操作简单。

本装置作为荧光信号解调系统的主要构成，使系统具有线性响应曲线，通过底层逻辑器件使得电路具有较高的计算精度，其中函数发生器DDS模块11产生信号频率能精确控制，由所述函数发生器DDS模块11性能决定测量信号的频率范围，避免了对被检测信号的频率限制，同时在SOPC处理模块16中进行最终测量数据的计算，有很好的灵活性且计算时间较短、避免了对荧光信号解调系统中数字锁相检测的速度，本装置电路结构简单，系统具有高精度、高线性度、很好的灵活性等优点。

Claims (2)

1.一种用于荧光信号解调的正交锁相放大器装置，其特征在于：包括信号解调模块(1)、D/A转换电路(2)、光源驱动电路(3)、光电转换电路(4)、滤波电路(5)、A/D采样电路(6)、显示模块(7)、直流电源(8)，其中所述信号解调模块(1)包括函数发生器DDS模块(11)、第一相敏检波器模块(12)、第二相敏检波器模块(13)、第一FIR滤波器模块(14)、第二FIR滤波器模块(15)、SOPC处理模块(16)，所述函数发生器DDS模块(11)产生两路互相正交的参考信号和一路驱动信号，其中驱动信号作为输出通过所述D/A转换电路(2)与所述光源驱动电路(3)的输入端连接以发送光束，两路正交参考信号分别作为输出与所述第一相敏检波器模块(12)、第二相敏检波器模块(13)的第一信号输入端相连，所述光电转换电路(4)的输入端接收相位改变后的光束作为待测信号，所述光电转换电路(4)的输出端通过所述滤波电路(5)与所述A/D转换电路(6)的输入端连接，所述A/D转换电路(6)的输出端与所述第一相敏检波器模块(12)和第二相敏检波器模块(13)的第二输入端连接，所述第一相敏检波器模块(12)和第二相敏检波器模块(13)的输出端分别与所述第一FIR滤波器模块(14)和第二FIR滤波器模块(15)的输入端相连，所述第一FIR滤波器模块(14)和第二FIR滤波器模块(15)的输出端与所述SOPC处理模块(16)的输入端连接，所述显示模块(6)的输入端与所述SOPC处理模块(16)的输出端相连。

2.如权利要求1所述的用于荧光信号解调的正交锁相放大器装置，其特征在于：还包括与所述信号解调模块(1)、所述光源驱动电路(3)、所述光电转换电路(4)、所述滤波电路(5)连接的直流电源(8)。