CN217484155U

CN217484155U - 用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置

Info

Publication number: CN217484155U
Application number: CN202123409270.2U
Authority: CN
Inventors: 管玉超; 朱新勇; 张朝惠; 刘永利; 初文怡; 于盼峰; 秦政飞; 郭永玲
Original assignee: Qingdao Qingyuan Fengda Terahertz Technology Co ltd
Current assignee: Qingdao Qingyuan Fengda Terahertz Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2031-12-30

Abstract

本实用新型公开了用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，TIA前置电流放大器与太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连，前置增益放大器与TIA前置电流放大器连接，或与电压型太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连；BPF带通滤波器输入端与前置增益放大器连接；带通增益放大器与BPF带通滤波器连接；MODEM调制解调器分别与带通增益放大器和主控MCU连接；LPF低通滤波器与MODEM调制解调器连接；所述低通增益放大器与LPF低通滤波器连接；AD模数转换器与低通增益放大器连接；主控MCU分别与MODEM调制解调器、AD模数转换器和PC上位机连接。其采集精度和采集范围大幅提升。

Description

用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置

技术领域：

本实用新型属于太赫兹光谱和成像技术领域技术领域，具体涉及一种用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置。

背景技术：

太赫兹波是一种穿透能力强、光子能量低的电磁波，其频率在0.1～10THz(1THz＝10¹²Hz) 之间，介于微波和红外波之间。太赫兹光谱和成像系统是利用太赫兹波进行光电导采样，广泛应用于物质识别、安全检查、材料与结构的无损探伤、生物组织的活体检查、无线通信等领域。

在采样中，飞秒激光器产生的激光激发光电导天线产生光生载流子，这些载流子在太赫兹脉冲电场的作用下形成电流。通过探测电流的变化即可实现对太赫兹脉冲的测量。受环境辐射和检测设备的内部噪声等影响，探测电流信号非常小，甚至被噪声淹没，属于nA级电流信号。

为提高信号的抗干扰能力，实现精确的检测，我们需要从噪声中提取、恢复并增强被测信号。因此，对此微弱信号的精确检测成为了太赫兹光谱和成像技术领域的关键部分。

带通滤波器是微弱信号检测常用的方法，其压缩检测通道的带宽，使之能覆盖住信号的频谱，噪声的输出将会明显降低，因此是降低噪声、改善信噪比最常用的方法。但是由于其频率稳定性的限制，单纯的用压缩带宽来抑制噪声是有限的。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于寻求一种用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的一种用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，包括TIA前置电流放大器、前置增益放大器、BPF带通滤波器、带通增益放大器、MODEM调制解调器、LPF低通滤波器、低通增益放大器、AD模数转换器、POWER电源模块、主控MCU和PC上位机；所述TIA前置电流放大器1输入端与电流型太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连，用于采集并放大探测天线产生的偏置电流信号；所述前置增益放大器输入端与TIA前置电流放大器输出端连接，或与电压型太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连，用于对输入信号做进一步放大；所述BPF带通滤波器输入端与前置增益放大器输出端连接，用于滤除高频和低频噪声；所述带通增益放大器输入端与BPF带通滤波器输出端连接，用于对输入信号做进一步放大；所述MODEM调制解调器输入端分别与带通增益放大器输出端和主控MCU连接，用于将主控MCU输入的参考信号与带通增益放大器输入的信号相乘，输出直流信号，所述参考信号与探测天线的输入信号同频；所述LPF低通滤波器输入端与MODEM调制解调器输出端连接，用于滤除交流噪声信号，输出直流有用信号；所述低通增益放大器输入端与LPF低通滤波器输出端连接，用于对信号做进一步放大；所述AD模数转换器输入端与低通增益放大器输出端连接，用于将模拟信号变换为数字信号，并将数字信号输送到主控MCU；所述主控MCU分别与MODEM调制解调器、AD模数转换器和PC 上位机连接，用于输出输出与偏置电流信号同频的参考信号，接收AD模数转换器发来的数字信号并上传到PC上位机，所述PC上位机进行数据处理并以时域波形和频域波形的形式呈现太赫兹光谱图。

进一步说明，用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置还包括壳体，TIA前置电流放大器、前置增益放大器、BPF带通滤波器、带通增益放大器、MODEM调制解调器、 LPF低通滤波器、低通增益放大器、AD模数转换器、POWER电源模块和主控MCU均内置于壳体内。

进一步说明，POWER电源模块分别与TIA前置电流放大器、前置增益放大器、BPF带通滤波器、带通增益放大器、MODEM调制解调器、LPF低通滤波器、低通增益放大器、AD模数转换器和主控MCU连接。

进一步说明，TIA前置电流放大器部分选用fA级运放，其输入偏置电流可低至20fA，失调电压可低至50uV，具有低失调电压漂移，增益可调1*10^{^4}至1*10^{^9}，电压噪声密度可低至 14nV/√Hz(10KHz)，可达2MHz带宽。

进一步地，所述前置增益放大器放大倍数为1倍、2倍、5倍或10倍，带通增益放大器放大倍数为1倍、2倍、5倍或10倍，低通增益放大器放大倍数为2倍、5倍、10倍或20倍， LPF低通滤波器截止频率可选择3Hz、10Hz、30Hz或100Hz。

作为一种实现方式，PC上位机包括相位调节模块、三级增益调节模块、低通截至频率调节模块和显示模块，所述相位调节模块用于调节参考信号的相位，相位调节范围为0-360°；所述三级增益调节模块用于调节前置增益放大器、带通增益放大器和低通增益放大器的放大倍数；所述低通截至频率调节模块用于调节LPF低通滤波器的截止频率，前置增益放大器、带通增益放大器、低通增益放大器和LPF低通滤波器均与主控MCU连接，显示模块用于输入并显示调整的相位度数、增益倍速和频率，并实时显示太赫兹谱图。

作为另一种实现方式，在壳体面板上设置拨码开关和旋转编码器，拨码开关分别与前置增益放大器、带通增益放大器、低通增益放大器和LPF低通滤波器连接，用于前置增益放大器、带通增益放大器和低通增益放大器增益调整以及LPF低通滤波器的截止频率的调整，旋转编码器内接主控MCU，用于将调整的相位值输入到主控MCU，由主控MCU输出相位调整的参考信号。

进一步说明，壳体面板上设有采集电压输入端口VIN，采集电流输入端口CIN，其中，采集电压输入端口VIN内接TIA前置电流放大器，外接输出电流信号的探测天线，采集电流输入端口CIN内接前置增益放大器，外接输出电压信号的探测天线。

壳体面板上设有模拟电压输出端口OUT，模拟电压输出端口OUT内接低通增益放大器的输出端，壳体面板上设有调制信号输出端口CLK，调制信号输出端口CLK内接主控MCU参考信号输出端，壳体面板上设有USB接口，主控MCU通过USB接口与PC上位机连接，壳体面板上设有设备启动与关闭的OFF/ON按钮，电源输入端口(24V)以及故障、电源、状态指示灯。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：采集精度和采集范围较现有微弱信号采集装置大幅提升，采集范围可实现fA级电流信号采集，采集增益可实现1*10^{^4}至1*10^{^9}精确可调；两路独立采集端口，可分别实现电流和电压信号的调制解调，兼容性更强；一路调制信号输出，一路模拟信号输出，便于检测和调试；输出信号增益三级可调，可适配不同的AD模数转换芯片的信号采集与转换；USB虚拟串口连接上位机，极简锁相控制界面，实现功能控制、参数设置的同时实现采集信号的精确解析和实时呈现；参考信号内部同步，无需外部参考信号输入，频率可根据用户需求灵活设置；相位调整可满足上位机和旋转编码器两种调整方式，可调范围0°-360°；低通滤波截止频率可实现3Hz，10Hz，30Hz，100Hz选配。

附图说明：

图1为本实用新型涉及的用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置结构示意图。

图2为本实用新型涉及的PC上位机显示模块的示意图。

图3为本实用新型涉及的壳体面板的示意图。

具体实施方式：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

如图1所示：本实施例涉及的一种用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，包括TIA前置电流放大器1、前置增益放大器2、BPF带通滤波器3、带通增益放大器4、MODEM 调制解调器5、LPF低通滤波器6、低通增益放大器7、AD模数转换器8、POWER电源模块9、主控MCU10和PC上位机11。

所述TIA前置电流放大器1输入端与电流型太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连，用于采集并放大探测天线产生的偏置电流信号；

所述前置增益放大器2输入端与TIA前置电流放大器1输出端连接，或与电压型太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连，用于对输入信号做进一步放大，放大倍数可选择1倍、2倍、5 倍、10倍；

所述BPF带通滤波器3输入端与前置增益放大器2输出端连接，用于滤除高频和低频噪声，其中心频率可调；

所述带通增益放大器4输入端与BPF带通滤波器3输出端连接，用于对输入信号做进一步放大，放大倍数可选择1倍、2倍、5倍、10倍；

所述MODEM调制解调器5输入端分别与带通增益放大器4输出端和主控MCU10连接，用于将主控MCU10输入的参考信号与带通增益放大器4输入的信号相乘，输出直流信号，所述参考信号与探测天线的输入信号同频；

所述LPF低通滤波器6输入端与MODEM调制解调器5输出端连接，用于滤除交流噪声信号，输出直流有用信号，其截止频率可调，可选择3Hz、10Hz、30Hz、100Hz；

所述低通增益放大器7输入端与LPF低通滤波器6输出端连接，用于对信号做进一步放大，放大倍数可选择2倍、5倍、10倍、20倍；

所述AD模数转换器8输入端与低通增益放大器7输出端连接，用于将模拟信号变换为数字信号，并将数字信号输送到主控MCU10；

所述主控MCU10分别与TIA前置电流放大器1、MODEM调制解调器5、AD模数转换器8和PC上位机11连接，用于输出输出与偏置电流信号同频的REF_CLK参考信号，接收AD模数转换器8发来的数字信号并上传到PC上位机11，所述PC上位机11进行数据处理并以时域波形和频域波形的形式呈现太赫兹光谱图。

进一步说明，用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置还包括壳体，TIA前置电流放大器1、前置增益放大器2、BPF带通滤波器3、带通增益放大器4、MODEM调制解调器5、LPF低通滤波器6、低通增益放大器7、AD模数转换器8、POWER电源模块9和主控MCU10均内置于壳体内。

进一步说明，POWER电源模块9分别与TIA前置电流放大器1、前置增益放大器2、BPF带通滤波器3、带通增益放大器4、MODEM调制解调器5、LPF低通滤波器6、低通增益放大器 7、AD模数转换器8和主控MCU10连接，根据需要提供各部件所需工作电压。POWER电源模块9选用的是隔离电源和低噪声LDO，分别输出+5V和-5V，电源纹波控制在10mV以内。

进一步说明，TIA前置电流放大器1部分选用fA级运放，其输入偏置电流可低至20fA，失调电压可低至50uV，具有低失调电压漂移，增益可调1*10^{^4}至1*10^{^9}，电压噪声密度可低至 14nV/√Hz(10KHz)，可达2MHz带宽。

如图2所示，作为一种实现方式，通过PC上位机11中对应软件实现参考信号相位调整，前置增益放大器2、带通增益放大器4和低通增益放大器7增益调整以及LPF低通滤波器6的截止频率的调整。具体地，PC上位机11包括相位调节模块、三级增益调节模块和低通截至频率调节模块，所述相位调节模块用于调节参考信号的相位，相位调节范围为0-360°；所述三级增益调节模块用于调节前置增益放大器2、带通增益放大器4和低通增益放大器7的放大倍数；所述低通截至频率调节模块用于调节LPF低通滤波器6的截止频率，前置增益放大器2、带通增益放大器4、低通增益放大器7和LPF低通滤波器6均与主控MCU10连接，PC上位机11将调整信号通过主控MCU10发送至对应部件。除此之外，PC上位机11包括显示模块，用于输入并显示调整的相位度数、增益倍速和频率，并实时显示太赫兹谱图。

进一步说明，在上位机11中进行相位调节时：在相位编辑框内输入相位数值(0-360°)，点击“设定”按钮，或者调整相位设置旋钮即可设置相位。

进一步说明，在上位机11中进行各级增益调整：分别在前置增益、带通增益、低通增益下拉框内选择相应倍数，并点击对应的“设定”即可分别设置放大倍数。

进一步说明，在上位机11中进行低通截止频率调整：在低通截止频率下拉框内选择相应的频率，并点击“设定”按钮即可设置。

进一步说明，在上位机11中进行实时数据采集：分别在间隔文本框内填入设置的时间间隔、在次数文本框内填入预计采集的次数，点击“开始采集”即可实时采集数据并显示。

进一步说明，如图3，壳体面板上设有采集电压输入端口VIN，采集电流输入端口CIN，其中，采集电压输入端口VIN内接TIA前置电流放大器1，外接输出电流信号的探测天线，采集电流输入端口CIN内接前置增益放大器2，外接输出电压信号的探测天线。两种采集端口，分别实现电流和电压信号的调制解调，兼容性更强。壳体面板上设有模拟电压输出端口OUT，模拟电压输出端口OUT内接低通增益放大器7的输出端。壳体面板上设有调制信号输出端口 CLK，调制信号输出端口CLK内接主控MCU10参考信号输出端。一路CLK调制信号输出，调制频率可调，一路OUT模拟信号输出，便于检测放大倍数并进行调试。

壳体面板上设有USB接口，主控MCU10通过USB接口与PC上位机11连接，实现通讯、进行数据采集、参数设置、板卡升级等功能。壳体面板上设有设备启动与关闭的OFF/ON按钮，电源输入端口(24V)以及故障、电源、状态指示灯。

作为另一种实现方式，在壳体面板上设置拨码开关和旋转编码器实现参考信号相位调整，前置增益放大器2、带通增益放大器4和低通增益放大器7增益调整以及LPF低通滤波器6的截止频率的调整。具体地，在壳体面板上设置拨码开关和旋转编码器，拨码开关分别与前置增益放大器2、带通增益放大器4、低通增益放大器7和LPF低通滤波器6连接，用于前置增益放大器2、带通增益放大器4和低通增益放大器7增益调整以及LPF低通滤波器6的截止频率的调整，旋转编码器内接主控MCU10，将调整的相位值输入到主控MCU10，由主控MCU10输出相位调整的参考信号。更具体地，拨码开关包括S1-S12，各功能如表二所示，旋转编码器包括粗调旋钮和精调旋钮，具体如表一所示，可实现硬件和上位机控制软件使能、三级放大倍数调整，低通滤波器截止频率选择，调制信号相位调整等功能。使能控制和三级增益可调详见表一，调制信号相位调节详见表二。

表一

表二

本实施例一种用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测方法的具体实现过程如下：

1)探测天线接收到的nA级电流信号首先经过TIA前置电流放大器1进行放大，放大增益为10^{^6}，选用fA级静电计放大器，输入偏置电流最低20fA。

2)经过TIA前置电流放大器1放大后的信号进入前置增益放大器2，前置增益放大器2运放设置4级放大倍数，分别为1倍、2倍、5倍、10倍，可通过上位机软件和拨片开关根据实际需要设置放大倍数。

3)前置增益放大器2信号输出后，进入BPF带通滤波器3，BPF带通滤波器3选用2阶巴特沃斯滤波器，其中心频率可根据需求进行1K、10K、100K选择。

4)经过BPF带通滤波器3输出后，信号进入带通增益放大器4，带通增益放大器4运放设置4级放大倍数，分别为1倍、2倍、5倍、10倍，可通过上位机软件和拨片开关根据实际需要设置放大倍数。

5)通过经过PC上位机或者旋转编码器调整主控MCU10输出的REF_CLK参考信号的相位，相位调整范围为0-360°，REF_CLK参考信号与探测天线输出的输入信号同频。

6)经过带通增益放大器4后，信号进入MODEM调制解调器5，此时，主控MCU10提供REF_CLK参考信号，与输入信号进行乘法运算；

例如，输入信号i₁＝Asin(ωt)+N(t)，A为幅值，ω为频率，ωt是相位，N(t)为随机噪声，参考信号i₂＝Bsin(ωt+θ)，B为幅值，θ为两路信号的相位差。将输入信号和参考信号直接相乘：

i₁*i₂＝[Asin(ωt)+N(t)]*[Bsin(ωt+θ)]＝AB/2cos(θ)-AB/2cos(2ωt+θ)+BN(t)sin(ωt+θ)

其中，AB/2cos(θ)为直流分量，AB/2cos(2ωt+θ)为交流分量，参考信号与噪声信号不相关，BN(t)sin(ωt+θ)的直流分量可视为零。相位调整的目的就是将θ值调整为0，此时cos(θ)的值为1，此时直流分量信号强度最大，便于信号采集。

7)输出直流信号进入LPF低通滤波器6，LPF低通滤波器6选用二阶巴特沃斯滤波器，其截止频率可根据需求进行3K、10K、30K、100K的选择。

8)经过LPF低通滤波器6的信号，进入低通增益放大器7，低通增益放大器7运放设置4级放大倍数，分别为2倍、5倍、10倍、20倍，可通过上位机软件和拨片开关根据实际需要设置放大倍数。

9)经过低通增益后，信号经过AD模数转换器，将模拟信号变换为数字信号，主控MCU10 对数字信号进行采集后，将数据上传到PC上位机11，PC上位机11进行数据处理后，以时域波形和频域波形的形式呈现出来；

10)重复步骤5)-9)直至PC上位机11输出的谱图极值差(最大值和最小值之差)最大时，调整完成。

Claims

1.用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，其特征在于，包括TIA前置电流放大器、前置增益放大器、BPF带通滤波器、带通增益放大器、MODEM调制解调器、LPF低通滤波器、低通增益放大器、AD模数转换器、POWER电源模块、主控MCU和PC上位机；所述TIA前置电流放大器输入端与电流型太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连，用于采集并放大探测天线产生的偏置电流信号；所述前置增益放大器输入端与TIA前置电流放大器输出端连接，或与电压型太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连，用于对输入信号做进一步放大；所述BPF带通滤波器输入端与前置增益放大器输出端连接，用于滤除高频和低频噪声；所述带通增益放大器输入端与BPF带通滤波器输出端连接，用于对输入信号做进一步放大；所述MODEM调制解调器输入端分别与带通增益放大器输出端和主控MCU连接，用于将主控MCU输入的参考信号与带通增益放大器输入的信号相乘，输出直流信号，所述参考信号与探测天线的输入信号同频；所述LPF低通滤波器输入端与MODEM调制解调器输出端连接，用于滤除交流噪声信号，输出直流有用信号；所述低通增益放大器输入端与LPF低通滤波器输出端连接，用于对信号做进一步放大；所述AD模数转换器输入端与低通增益放大器输出端连接，用于将模拟信号变换为数字信号，并将数字信号输送到主控MCU；所述主控MCU分别与MODEM调制解调器、AD模数转换器和PC上位机连接，用于输出与偏置电流信号同频的参考信号，接收AD模数转换器发来的数字信号并上传到PC上位机，所述PC上位机进行数据处理并以时域波形和频域波形的形式呈现太赫兹光谱图。

2.根据权利要求1所述的用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，其特征在于，用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置还包括壳体，TIA前置电流放大器、前置增益放大器、BPF带通滤波器、带通增益放大器、MODEM调制解调器、LPF低通滤波器、低通增益放大器、AD模数转换器、POWER电源模块和主控MCU均内置于壳体内。

3.根据权利要求1所述的用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，其特征在于，POWER电源模块分别与TIA前置电流放大器、前置增益放大器、BPF带通滤波器、带通增益放大器、MODEM调制解调器、LPF低通滤波器、低通增益放大器、AD模数转换器和主控MCU连接。

4.根据权利要求1所述的用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，其特征在于，TIA前置电流放大器部分选用fA级运放，其输入偏置电流可低至20fA，失调电压可低至50uV，具有低失调电压漂移，增益可调1*10^{^4}至1*10^{^9}，电压噪声密度可低至14nV/√Hz(10KHz)，可达2MHz带宽。

5.根据权利要求1所述的用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，其特征在于，所述前置增益放大器放大倍数为1倍、2倍、5倍或10倍，带通增益放大器放大倍数为1倍、2倍、5倍或10倍，低通增益放大器放大倍数为2倍、5倍、10倍或20倍，LPF低通滤波器截止频率可选择3Hz、10Hz、30Hz或100Hz。

6.根据权利要求1或5所述的用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，其特征在于，PC上位机包括相位调节模块、三级增益调节模块、低通截至频率调节模块和显示模块，所述相位调节模块用于调节参考信号的相位，相位调节范围为0-360°；所述三级增益调节模块用于调节前置增益放大器、带通增益放大器和低通增益放大器的放大倍数；所述低通截至频率调节模块用于调节LPF低通滤波器的截止频率，前置增益放大器、带通增益放大器、低通增益放大器和LPF低通滤波器均与主控MCU连接，显示模块用于输入并显示调整的相位度数、增益倍速和频率，并实时显示太赫兹谱图。

7.根据权利要求1或5所述的用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，其特征在于，在壳体面板上设置拨码开关和旋转编码器，拨码开关分别与前置增益放大器、带通增益放大器、低通增益放大器和LPF低通滤波器连接，用于前置增益放大器、带通增益放大器和低通增益放大器增益调整以及LPF低通滤波器的截止频率的调整，旋转编码器内接主控MCU，用于将调整的相位值输入到主控MCU，由主控MCU输出相位调整的参考信号。

8.根据权利要求1所述的用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，其特征在于，壳体面板上设有采集电压输入端口VIN，采集电流输入端口CIN，其中，采集电压输入端口VIN内接TIA前置电流放大器，外接输出电流信号的探测天线，采集电流输入端口CIN内接前置增益放大器，外接输出电压信号的探测天线。

9.根据权利要求5所述的用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，其特征在于，壳体面板上设有模拟电压输出端口OUT，模拟电压输出端口OUT内接低通增益放大器的输出端，壳体面板上设有调制信号输出端口CLK，调制信号输出端口CLK内接主控MCU参考信号输出端，壳体面板上设有USB接口，主控MCU通过USB接口与PC上位机连接，壳体面板上设有设备启动与关闭的OFF/ON按钮，电源输入端口(24V)以及故障、电源、状态指示灯。