CN204177739U - 双相锁相放大器 - Google Patents

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Abstract

一种双相锁相放大器,包括前置放大电路,带通滤波电路,参考触发电路,锁相环路及移相电路、同相相敏检波器、正交相敏检波器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、矢量运算电路。双相锁相放大器不需要反复调节参考信号和检测信号的相位关系,能够避免调节误差、相位漂移,节省测量时间,提高测量精准度。并且结构紧凑、成本低廉、测量稳定精确,易于嵌入到需要实现复杂背景下微弱信号测量的设备中。采用双相位锁相放大器的HF气体在线检测TDLAS系统,能够提高检测速度和测量结果的稳定、精确性。

Description

双相锁相放大器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种锁相放大器和锁相放大器HF气体在线检测TDLAS系统,尤其 是一种双相锁相放大器及双相锁相放大器HF气体在线检测TDLAS系统,属于气体在线检测 领域。
背景技术
[0002] 可调谐二极管激光吸收光谱技术是近年来发展起来的一种新型气体检测方法,在 国外研宄较早,被广泛应用于微量气体分析领域,目前国内市场对该类产品的需求旺盛,但 受限于国外产品的技术限制和高昂的维修费用,所以,研制可调谐二极管激光吸收光谱技 术在线检测HF气体系统显得尤为重要。
[0003] 目前国内产品,大多处于研发阶段,且系统中所采用的锁相放大器多为国外进口 的成品仪器锁相放大器,如SignalRecovery的7270等,体积庞大,不便于系统集成,在检 测过程中,需要根据输入信号的频率、相位的变化反复调节检测信号和参考信号的相位关 系,影响微量气体检测速度,不利于实现设备检测自动化。
[0004] 在HF微量气体检测技术的检测过程中微量气体不够稳定、元器件传输延时、干扰 气体吸收等因素导致检测输入信号与参考输入信号的相位差不断变化(检测输入信号发 生相位漂移),导致应用单相锁相放大器的传统检测装置的测量结果不够稳定、精确。 实用新型内容
[0005] 本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术中的缺陷提供一种结构紧凑、成本 低廉、测量稳定精确,易于嵌入到测量设备中的双相锁相放大器及双相锁相放大器HF气体 在线检测TDLAS系统。
[0006] 本实用新型所采取的技术方案是:
[0007] 技术方案一:
[0008] 一种双相锁相放大器,包括前置放大电路,带通滤波电路,参考触发电路,锁相环 路及移相电路、同相相敏检波器、正交相敏检波器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、矢 量运算电路;
[0009] 所述参考触发电路由级联的高通子电路、放大子电路、比较子电路组成;其输入端 用于输入参考信号,其输出端接所述锁相环路及移相电路;
[0010] 所述参考触发电路用于放大输入的参考信号、隔断其直流成分,产生并输出与其 频率相同的方波驱动信号;将其输出至锁相环路及移相电路;
[0011] 所述锁相环路及移相电路的输出端分别接所述同相相敏检波器和正交相敏检波 器的相应输入端;用于移相所述方波驱动信号得到与其相位差为90度的正交相方波驱动 信号,将所述方波驱动信号输出到同相相敏检波器的参考信号输入端,将正交相方波驱动 信号输出至所述正交相敏检波器的参考信号输入端;
[0012] 所述前置放大电路的输入端用于输入检测信号,其输出端接所述带通滤波电路的 输入端;
[0013] 所述带通滤波电路的输出端分别接所述同相相敏检波器和正交相敏检波器的相 应输入端;用于将检测信号的频率成分限定在预定频带范围以内;
[0014] 所述同相相敏检波器和正交相敏检波器的输出端分别经所述第一低通滤波器和 所述第二低通滤波器接所述矢量运算器电路的相应输入端。
[0015] 所述同相相敏检波器用于提取检测信号中与参考信号相位相同的同步输出信 号;
[0016] 所述正交相敏检波器用于提取检测信号中与参考信号相位相差90度的异步输出 信号;
[0017] 所述矢量运算电路用于将所述同步输出信号和异步输出信号矢量相加。
[0018] 所述参考触发电路由级联的高通子电路、放大子电路、比较子电路组成。
[0019] 所述高通子电路的输入端作为所述参考触发电路的输入端,所述高通子电路的输 出端作为放大子电路的输入端,所述比较子电路的输出端作为所述双相锁相放大器的输出 端接所述锁相环路及移相电路的输入端。
[0020] 技术方案二:
[0021] -种双相锁相放大器HF气体在线检测TDLAS系统,包括锁相放大器、信号发生器、 激光驱动器、激光器、气体吸收池、探测器、前置放大器、数据采集卡;所述锁相放大器为双 相锁相放大器。
[0022] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于:
[0023] 1、本实用新型的双相锁相放大器,在检测信号测量的过程中因为双相位的设计不 需要反复调节参考信号和检测信号的相位关系,能够避免调节误差、相位漂移,节省测量时 间,提高测量精准度。
[0024] 2、实用新型的双相锁相放大器结构紧凑、成本低廉,易于嵌入到需要实现复杂背 景下微弱信号测量的设备中。
[0025] 3、采用双相位锁相放大器的HF气体在线检测TDLAS系统,在测量过程中,被检测 微弱信号的振幅与检测输入信号和参考输入信号的相位无关,从而能够避免在测量过程中 反复调节参考输入信号和检测输入信号的相位关系,提高检测速度,还能够避免检测信号 的相位漂移,使测量结果稳定、精确。
附图说明
[0026] 图1为本实用新型实施例的双相锁相放大器的结构示意图;
[0027] 图2为本实用新型实施例的TDLAS系统的结构示意图;
[0028] 图3为本实用新型实施例的参考触发电路模块的结构示意图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。以下实施例仅 用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案,而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
[0030] 实施例1 :
[0031] 参考图1,一种双相锁相放大器,包括前置放大电路,带通滤波电路,参考触发电 路,锁相环路及移相电路、同相相敏检波器、正交相敏检波器、第一低通滤波器、第二低通滤 波器、矢量运算电路;
[0032] 所述参考触发电路由级联的高通子电路、放大子电路、比较子电路组成;其输入端 用于输入参考信号,其输出端接所述锁相环路及移相电路;
[0033] 所述参考触发电路用于放大输入的参考信号、隔断其直流成分,产生并输出与其 频率相同的方波驱动信号;将其输出至锁相环路及移相电路;
[0034] 所述锁相环路及移相电路的输出端分别接所述同相相敏检波器和正交相敏检波 器的相应输入端;用于移相所述方波驱动信号得到与其相位差为90度的正交相方波驱动 信号,将所述方波驱动信号输出到同相相敏检波器的参考信号输入端,将正交相方波驱动 信号输出至所述正交相敏检波器的参考信号输入端;
[0035] 所述前置放大电路的输入端用于输入检测信号,其输出端接所述带通滤波电路的 输入端;
[0036] 所述带通滤波电路的输出端分别接所述同相相敏检波器和正交相敏检波器的相 应输入端;用于将检测信号的频率成分限定在预定频带范围以内;
[0037] 所述同相相敏检波器和正交相敏检波器的输出端分别经所述第一低通滤波器和 所述第二低通滤波器接所述矢量运算器电路的相应输入端。
[0038] 所述同相相敏检波器用于提取检测信号中与参考信号相位相同的同步输出信 号;
[0039] 所述正交相敏检波器用于提取检测信号中与参考信号相位相差90度的异步输出 信号;
[0040] 所述矢量运算电路用于将所述同步输出信号和异步输出信号矢量相加。
[0041] 所述高通子电路的输入端作为所述参考触发电路的输入端,用于隔断直流成分; 放大子电路可根据实际输入信号幅值设定相应放大倍数,提高信号幅值;所述比较子电路 的输出端作为所述锁相环路模块的输入端,用于将参考信号变换为同频同相的方波驱动信 号。
[0042] 本实用新型中,双相锁相放大器的原理如下:
[0043] 设同相相敏检波器和正交相敏检波器的检测信号输入端的振幅为V1,频率为ω, 相位为Q1,则该信号x(t)可以表示为:
[0044] X(t) =V1Sin(ωt+Θ工)
[0045] 同相相敏检波器和正交相敏检波器输入的参考信号与检测信号都为同频率信号, 其中同相相敏检波器输入的参考信号A(t)的振幅为VK,频率为ω,相位为θκ,可表示为:
[0046] !T1 (t) =VRsin(ωt+ΘR)
[0047] 正交相敏检波器输入的参考信号r2(t)的振幅为VK,频率为ω,相位与同相相敏检 波器的相位与正交相敏检波器的相位差为90度,可记为π/2,可表示为:
[0048] r2 (t) =VEsin(ωt+ΘR-jt2)
[0049] 检测信号x(t)和同相相敏检波器信号输入的参考信号ri(t)在同相相敏检波器 中做相乘运算得到同相信号Vm: Vxi, (〇=V1 Vf sin(^ +O1 )sin(^ +θη)
[0050] II…. =l/ic〇s(^/v+ ~l/i+ΘΗ +0j)
[0051] 检测信号x(t)和正交相相敏检波器信号输入的参考信号r2(t)在同相相敏检波 器中做想乘运算得到正交相信号VM2:
[0052] FU2(,)=丄K/ί7"cos(6^ - 0 - ;τ/2> +丄KOnp冰 + 4 + 巧一;τ/2) 2 2
[0053] Vm经过低通滤波器之后得到同步输出信号义⑴=c〇S(& -0)
[0054] Vm2经过低通滤波器之后得到异步输出信号Γ(〇 = ||/,匕sin叭-0 )
[0055] 综上,同相相敏检波器输出的同步输出信号X(t)和正交相敏检波器输出的异步 输出信号Y(t),彼此有f的相位差,在矢量运算电路中进行矢量相加运算,产生一个锁相输 出信号R(t):
Figure CN204177739UD00061
[0057] 由以上原理可知,采用双相位锁相放大器的可调谐二极管激光吸收光谱技术在线 检测HF气体装置,在测量过程中,被检测微弱信号的振幅与检测输入信号和参考输入信号 的相位无关,从而能够避免在测量过程中反复调节参考输入信号和检测输入信号的相位关 系,提高检测速度,还能够避免检测信号的相位漂移,使测量结果稳定、精确。
[0058] 本实用新型还提供了一种TDLAS系统,如图2所示,该系统包括:上述任一项所 述的双相锁相放大器以及信号发生器、激光驱动器、激光器、气体吸收池、探测器、前置放大 器、数据采集卡。其中,信号发生器输出特定频率正弦波信号(SIN)与低频锯齿波扫描信号 (RAM);激光驱动器将正弦波信号与锯齿波信号叠加后的信号施加到二极管激光器,控制其 发射波长;光信号在气体吸收池经样品吸收后先由准直器准直;然后光电探测器接收并 将包含吸收信息的光信号转化为电信号送到前置放大器,进行一定倍数放大后输入给锁相 放大器的信号输入端,与信号发生器产生的正弦波信号一起在锁相放大器内进行谐波信号 的检测;双相锁相放大器输出谐波信号送给数据采集卡。
[0059] 数据卡中的数据经过A/D转换后,可以送入计算机采集并进行相应的处理、运算; 最后,采用LabVIEW编写界面对数据进行采集、处理、控制以及结果显示。
[0060] 本实用新型提供的TDLAS在线检测HF气体系统,双相位锁相放大器的设计使得在 使用中不需反复调节相位,还可以避免检测输入信号的相位漂移,实现复杂背景噪声条件 下稳定、精确的测量结果,利用该实用新型所提供的方法制作的双相锁相放大器结构紧凑、 成本低廉、测量稳定精确,易于嵌入到需要实现复杂背景下微弱信号测量的设备中,因此, 该实用新型对微弱信号检测领域设备制造有重要的现实意义。
[0061] 以上所述仅是本实用新型优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术 人员来说,在不脱离本实用新型技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进 和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1. 一种双相锁相放大器,其特征在于:包括前置放大电路,带通滤波电路,参考触发电 路,锁相环路及移相电路、同相相敏检波器、正交相敏检波器、第一低通滤波器、第二低通滤 波器、矢量运算电路; 所述参考触发电路由级联的高通子电路、放大子电路、比较子电路组成;其输入端用于 输入参考信号,其输出端接所述锁相环路及移相电路; 所述锁相环路及移相电路的输出端分别接所述同相相敏检波器和正交相敏检波器的 相应输入端; 所述前置放大电路的输入端用于输入检测信号,其输出端接所述带通滤波电路的输入 端; 所述带通滤波电路的输出端分别接所述同相相敏检波器和正交相敏检波器的相应输 入端; 所述同相相敏检波器和正交相敏检波器的输出端分别经所述第一低通滤波器和所述 第二低通滤波器接所述矢量运算器电路的相应输入端。
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