數字鎖相放大實驗裝置的製作方法
2023-05-01 12:30:41
專利名稱：數字鎖相放大實驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種實驗裝置，特別是一種數字鎖相放大實驗裝置。
背景技術：
鎖相放大器是一種高性能的通用測量儀器，它能精確地測量被掩埋在噪聲中的微弱信號。隨著科學技術的飛速發展，在電子學、信息科學、光學、磁學、力學、低溫物理、聲學、 生物學等許多領域，越來越需要測量深埋在噪聲中的微弱信號。鎖相技術測量微弱信號的基本思想主要有兩點。第一點是利用參考信號對慢變或者直流信號進行調製，實現頻率遷移；第二點是根據待測信號與噪聲互不相關的性質，利用信號相關和低通濾波把待測微弱信號提取出來，測量出信號的幅值和相位信息。利用上述基本思想的鎖相放大器以模擬的方法實現的較多。由於其模擬部分有直流放大器等的模擬器件存在，所以模擬鎖相放大器的工作特性隨時間變化的不穩定性和溫度變化而引起的溫漂帶來的幹擾，會相應影響鎖相放大器的部分指標。
發明內容針對上述技術中存在的問題，本實用新型的目的是提供一種數字鎖相放大實驗裝置，將模擬鎖相放大器的一些模擬模塊改進為數字模塊，以利於克服模擬鎖相放大器技術結構的弊病，實現測量低信噪比微弱信號的功能。為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是提供一種數字鎖相放大實驗裝置， 其中該實驗裝置包括有電源模塊、數字模塊、發生器模塊、模擬模塊和前面板模塊；電源模塊依次連接數字模塊、模擬模塊、前面板模塊和發生器模塊，數字模塊分別與模擬模塊、 前面板模塊、發生器模塊相連接；通過前面板模塊控制的鍵盤，將發生器模塊的控制信號和配置信號輸入傳入到數字模塊中，經過數字模塊上的FPGA的處理，控制發生器模塊產生相應的正弦波，將控制模擬模塊的信號前級；外部需要測量的微弱信號，通過前面板模塊的BNC接口進入模擬模塊的前級整形的處理，進入數字模塊，經過模擬模塊的FPGA的運算模擬處理，將相應的最終模擬信號傳入到前面板模塊的顯示屏引腳上，並顯示到前面板的液晶屏幕上。本實用新型的效果是(1)由於數字鎖相放大器在輸出通道中沒有直流放大器，可以避免直流放大器的工作特性隨時間變化的不穩定性和由於溫度變化引起的溫度漂移帶來的幹擾，這是模擬鎖相放大器不可解決的問題之一；(2)數字鎖相放大器的內部晶振時鐘源隨時間和溫度變化小，用這種穩定性高的時鐘源來做調製信號和參考信號能降低參考信號的不穩定所帶來的誤差，同時在內部參考模式中，數位訊號處理單元能在最短時間甚至能不需要延時就能完成鎖相功能，尤其在頻率掃描測量中有其明顯的優點；[0012](3)如果被測信號有較強的正交性，採用數字鎖相放大器的高性能的正交解調技術，使微弱信號檢測精度能得到很大程度上的提高；(4)隨著技術的發展，數位訊號處理單元的性價比提高，使數字鎖相放大器的性價比也得到相應的提高，數字鎖相技術將會更深入地影響未來的測量技術。
圖1是本實用新型的數字鎖相放大器的五大基礎模塊連接框圖；圖2是本實用新型的數字鎖相放大器的數字核心計算基本原理框圖；圖3是本實用新型的數字鎖相放大器的功能示意圖。
具體實施方式
結合附圖對本實用新型的數字鎖相放大實驗裝置結構加以說明。本實用新型的數字鎖相放大實驗裝置，該實驗裝置包括有電源模塊，數字模塊、發生器模塊、模擬模塊和前面板模塊；電源模塊依次連接數字模塊、模擬模塊、前面板模塊和發生器模塊，數字模塊分別與模擬模塊、前面板模塊、發生器模塊相連接。通過前面板模塊控制的鍵盤，將發生器模塊的控制信號和配置信號輸入傳入到數字模塊中，經過數字模塊上的FPGA的處理，控制發生器模塊產生相應的正弦波，將控制模擬模塊的信號前級。外部需要測量的微弱信號，通過前面板模塊的BNC接口進入模擬模塊的前級整形的處理，進入數字模塊，經過模擬模塊的FPGA的運算模擬處理，將相應的最終模擬信號傳入到前面板模塊的顯示屏引腳上，並顯示到前面板的液晶屏幕上。所述電源模塊中包括有用來產生+5V電壓的LM317穩壓器和作為反饋來產生比較穩定的士 15V電壓的TL082C晶片；所述數字模塊主要由XC28200晶片構成；所述發生器模塊主要由DDS晶片AD9850構成；所述模擬模塊主要由OMRON的繼電器和UAF42AU晶片構成；前面板模塊主要由液晶顯示屏CM320240-3E構成。信號可由DDS發生器產生帶有白噪聲的正弦波以及同步TTL信號，進入模擬模塊， 經過一系列整形和變換，最後進入到核心控制計算板——數字模塊，經過數字模塊上的高度集成可編程晶片的運算完成乘法器，積分器，參考通道，也就是同步TTL信號，程控移相和90度移相，PSD和INT的運算，最終得出相應所要求得的值。與此同時，INT輸出後，兩路數字輸出經過可編程晶片器件的運算，得到Xval和 Yval的值，並通過Xval和Yval的值，計算出Rval和DEGval的值。由於此數字鎖相放大器只需觀察積分一路X的變化，所以積分器只經過一路DA變換後，輸出X路的有效值，並可通過示波器測量，理論上與此時的LCD的Xval顯示值應該相等。以上的變化都是數字運算的過程，它比普通的模擬鎖相放大器中的模擬乘法器抗幹擾性更強，特別是對於頻率相對應快的信號輸入來說，更具低失真的優勢。使用數字窄帶濾波器，有效地降低二次以及多次諧波的幹擾，使鎖相可靠性大為提高。數字模塊連接的LCD能夠顯示積分器後XY兩通道的有效值以及輸入正弦波的有效值 Rval。本實用新型的數字鎖相放大實驗裝置主要分為五大模塊[0026]電源模塊部分；數字模塊部分為核心算法部分；發生器模塊部分；模擬模塊部分； 前面板模塊部分，如圖1所示。下面逐一講解這五大部分的基本原理和作用。1.電源模塊部分這一部分主要提供其他模塊的模擬數字器件的電源電壓，通過多片穩壓晶片 LM317輸出士 5V和士 15V電壓，同時還使用了 TL082C晶片作為反饋電路用來保證士 15V電壓的穩定性。從而保證並提供發生器模塊、數字模塊、模擬模塊和前面板模塊中的所有晶片正常工作的電源電壓。2.數字模塊部分這是數字鎖相放大器的最核心部分，主要是通過)(以8200晶片的控制來完成PSD 和INT兩大部分的計算。如圖2所示的數字鎖相放大器基本原理框圖，假定輸入信號f (t)為如下形式
/(t) = s(t) + n(t) = A η(ω + φ) + n(t)______ q ^其中s(t)為我們感興趣的有用信號，它是角頻率為《、相位角0、幅值々，n(t)為疊加於其上的噪聲信號，一般情況下該噪聲是一與有用信號在頻率上不具有相關性的白噪聲信號。參考信號r(t)與s(t)同頻，經參考信號通道處理而在數字部分取得其頻率和相位信息，並由參考信號發生器同時產生互餘的兩路參考信號和S' r(t)。此兩路參考信號分別與輸入信號相乘(PSD)再經由低通濾波器，此處用積分平均，從濾波器理論看其為低通濾波器的一種處理而得到中間結果&和S1，如式O)、(3)
Sr (t) = sin(cot)
=Cos(Cot)------(2)
1 nT
^O =Iim^T \ f (t)^m(mt)dt
1 nTnT
lim{——[[A η{ω + φ) η{ω ) + ^n{t) η{ω ) \]
ηΤι
W—CO
1 ηΤ A
IimU——[[_[cosφ-οο%{2ω + φ)] + ^n{t) η{ω ) \]}
"nT I 2
-^Αοο^φ
1 ηΤ
S1 = Iim^r f f(t)oos(0t)dt
O
1 ηΤηΤ
Iimi^T[ [ A η{ω + φ)οο%{ω ) + | n(t)cos(0t)dt]}
ο
權利要求1.一種數字鎖相放大實驗裝置，其特徵是該實驗裝置包括有電源模塊、數字模塊、發生器模塊、模擬模塊和前面板模塊；電源模塊依次連接數字模塊、模擬模塊、前面板模塊和發生器模塊，數字模塊分別與模擬模塊、前面板模塊、發生器模塊相連接；通過前面板模塊控制的鍵盤，將發生器模塊的控制信號和配置信號輸入傳入到數字模塊中，經過數字模塊上的FPGA的處理，控制發生器模塊產生相應的正弦波，將控制模擬模塊的信號前級；外部需要測量的微弱信號，通過前面板模塊的BNC接口進入模擬模塊的前級整形的處理，進入數字模塊，經過模擬模塊的FPGA的運算模擬處理，將相應的最終模擬信號傳入到前面板模塊的顯示屏引腳上，並顯示到前面板的液晶屏幕上。
2.根據權利要求1所述的數字鎖相放大實驗裝置，其特徵是所述電源模塊中包括有用來產生+5V電壓的LM317穩壓器和作為反饋來產生比較穩定的士 15V電壓的TL082C晶片；所述數字模塊包括有XC28200晶片；所述發生器模塊包括有DDS晶片AD9850 ；所述模擬模塊包括有繼電器和UAF42AU晶片；前面板模塊包括有液晶顯示屏CM320240-3E。
專利摘要本實用新型提供一種數字鎖相放大實驗裝置，該實驗裝置包括有電源模塊、數字模塊、發生器模塊、模擬模塊和前面板模塊；電源模塊依次連接數字模塊、模擬模塊、前面板模塊和發生器模塊，數字模塊分別與模擬模塊、前面板模塊、發生器模塊相連接。本實用新型的效果是該數字鎖相放大器可以避免以往的直流放大器的工作特性隨時間變化的不穩定性和由於溫度變化引起的溫度漂移帶來的幹擾；降低參考信號的不穩定所帶來的誤差，數位訊號處理單元能在最短時間甚至能不需要延時就能完成鎖相功能，尤其在頻率掃描測量中有其明顯的優點；採用數字鎖相放大器的高性能的正交解調技術，使微弱信號檢測精度能得到很大程度上的提高，數字鎖相放大器的性價比明顯得到提升，擴大在測量技術中的影響。
文檔編號H03F7/00GK202004731SQ201120149580
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月12日 優先權日2011年5月12日
發明者徐學剛, 杜振貢, 霍原 申請人:天津港東科技發展股份有限公司