一种锁相放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种锁相放大器，属于弱信号监测技术领域。
【背景技术】
[0002] 在现代信号测量领域，测量信号的精度成为最重要的指标，其表达形式通常用信 噪比S/N表示。对于常见的物理、化学、声学、生物、地质、光学等领域的测量常常信号很微 弱，信号常常被淹没在噪声中，如何提高系统信噪比成为测量成败的关键。
[0003] 据申请人了解，常用的监测方法是采用带通滤波器和锁相放大器，但是带通滤波 的频带压得越窄越不稳定，很容易自激震荡，而且要求系统的中心频率非常稳定；现有锁 相放大器的监测的前级采用了前置放大和带通放大，带通放大对于信号的信号频率变化敏 感，所以这一级带通放大带宽较宽，这一级抑制噪声不明显，为了同步参考信号的相位，通 常在带通滤波后信号进入模拟移相电路，由于模拟移相由分立元件电阻和电容等构成，受 温度变化相位会产生漂移
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种锁相放大器，采用前 置放大、跟踪滤波、同步积分和相关器联用，具有跟踪信号频率的特性，并利用数字移相替 代模拟移相，提高噪声的抑制能力、动态范围和稳定性。
[0005] 为了达到以上目的，本发明的一种锁相放大器，包括前置放大器、跟踪滤波器，数 字移相电路、同步积分放大器和相关器；
[0006] 跟踪滤波器的第一输入端通过前置放大器连接输入信号、第二输入端连接经倍频 的第一参考信号，跟踪滤波器的输出端连接同步积分放大器的输入端，用以对输入信号的 频率变化进行跟踪，其选通频率为第一参考信号倍频；
[0007] 数字移相电路的输入端连接经倍频的第二参考信号、其输出端连接同步积分放大 器和相关器的脉冲信号端，用以将倍频后的第二参考信号进行数字移相并进行方波整形， 调节移相的数值，使移相后的参考方波信号与跟踪滤波输出信号相位一致；
[0008]同步积分放大器的输入端连接跟踪滤波器的的输出端连接、脉冲信号端连接数字 移相电路的输入端、输出端与相关器的输入端相连，用以过滤输入信号中的白噪声，并输出 与参考信号频率相同的方波；
[0009]相关器包括相敏检波器和低通滤波器，相敏检波器的输入端分别连接同步积分 放大器的输出端与数字移相电路的输出端、其输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波 器具有直流输出，用以压缩噪音带宽、提高信噪比，输出正比于输入信号交流强度的直流信 号。
[0010] 该设备的前放将微弱的信号进行一级放大，放大了信号同时也放大了噪声，提高 了信号的驱动能力，前放输出信号输入至跟踪滤波器，跟踪滤波器为一个带通滤波器，带通 滤波器的带宽窄且品质因数较高，对信号频率的变化具有一定跟踪能力，跟踪滤波器的选 通频率由第一路参考信号的倍频获得。第二路参考信号进行数字移相并进行方波整形，调 节移相的数值，使移相后的参考方波信号与跟踪滤波器输出信号相位一致。同步积分的输 入信号为两路，即跟踪滤波的输出和同相位的参考方波，同步积分由同步开关和积分器完 成信号的积累，由于白噪声具有均匀频谱，通过同步积分后，信号全部通过，而白噪声大部 分被滤掉了，同步积分的输出与参考信号频率相同的方波。同步积分输出信号和参考方波 进入相关器，相关器由相敏检波器和低通滤波器组成，输出为一正比于输入交流信号强度 的直流信号，选择相关器合适的积分时间来抑制噪声，相关器大大压缩了等效噪音带宽和 提高了等效Q值，从而大大提高系统信噪比。
[0011] 本发明的优选方案是：跟踪滤波器为带通滤波器，带通滤波器内系统等效输入噪 声带宽丨
等效噪声带宽的公式）
跟踪滤波器 的信噪改善比为（其中N为带通滤波器中开关逐个接通的低通
7 滤波器的开关掷数，R〇为带通滤波器中可调电阻值，C^为带通滤波器中电容值，fk为开关频 率。调节R〇值和选择适当的N和C^值，可得到较窄的滤波特性，带宽正比于1/NR，改变 N、&、cO的任意一项值，可改变带宽。
[0012] 优选地，同步积分放大器包括同步开关和两个积分器，同步开关和积分器均与负 载相连，用以进行输入信号的积累。
[0013] 更优选地，积分器包括第一正信号积分器和第二负信号积分器，第一正信 号积分器中电流和电阻的开关函数表示为
j和
第二负信号积分器中电流和电阻的开关函数表示
第一正信号积分器的输入电流和输出电压关系方程式为
第二负信号积分器的输入电流和输出电压关系方程式为 1 1?>
两者的积分时间常数凡=2RC^ 2RQ? = 2JrT/T，其中T为 信号周期，n是信号在凡内的积分次数，C(：2分别为第一正信号积分器和第二负信号积分 器内的电容，R为第一正信号积分器和第二负信号积分器内的电阻参量，由此可得第一正信 号积分器和第二负信号积分器的电压公式分别为
、
o
[0014] 优选地，第一正信号积分器和第二负信号积分器通过同步开关交替连接负载，负 载上的交流输出电压）
[0015] 优选地，相敏检波器的输出为
，其 中V。是输出信号，Vi是输入信号，VK是参考信号，w为输入信号频率；(i)为输入信号相位差；Vg为输入信号正弦波的振幅。
[0016] 优选地，数字移相电路包括锁相环和可编程数字装置，锁相环的输入端接收经倍 频的第二路参考信号，其输出端连接可编程数字装置，可编程数字装置输出端连接同步积 分放大器和相关器的脉冲信号端。
[0017] 优选地，锁相环的相位分辨率为0. 1757度。采用数字电路避免分立元件的温度漂 移导致测量误差。
[0018] 本发明有益效果为：可以根据具体需求，选择相应带宽已达到满意的信噪比。采用 前置放大、跟踪滤波、同步积分和相关器联用，跟踪滤波具有跟踪信号频率的特性，且品质 因子较高，数字移相可以避免分立元件因温度漂移出现的测量误差，相关器压缩了等效噪 音带宽，使该设备具有更强的噪声抑制能力、动态范围和稳定性。
【附图说明】
[0019] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0020] 图1为本发明实施例的结构框图。
[0021] 图2位本发明实施例的数字移相电路框图。
【具体实施方式】
[0022] 实施例一
[0023] 本实施例的一种锁相放大器，如图1所示，包括前置放大器1、跟踪滤波器2,数字 移相电路4、同步积分放大器5和相关器；
[0024] 跟踪滤波器2的第一输入端通过前置放大器1连接输入信号、第二输入端连接经 倍频3的第一参考信号，跟踪滤波器的输出端连接同步积分放大器5的输入端，用以对输入 信号的频率变化进行跟踪，其选通频率为第一参考信号倍频；
[0025] 数字移相电路4的输入端连接经倍频3的第二参考信号、其输出端连接同步积分 放大器5和相关器的脉冲信号端，用以将倍频后的第二参考信号进行数字移相并进行方波 整形，调节移相的数值，使移相后的参考方波信号与跟踪滤波输出信号相位一致；
[0026] 同步积分放大器5的输入端连接跟踪滤波器2的的输出端连接、脉冲信号端连接 数字移相电路4的输入端、输出端与相关器的输入端相连，用以过滤输入信号中的白噪声， 并输出与参考信号频率相同的方波；
[0027] 相关器包括相敏检波器6和低通滤波器7,相敏检波器6的输入端分别连接同步积 分放大器5的输出端与数字移相电路4的输出端、其输出端连接低通滤波器7的输入端，低 通滤波器7具有直流输出，用以压缩噪音带宽、提高信噪比，输出正比于输入信号交流强度 的直流信号。
[0028] 跟踪滤波器2为带通滤波器，带通滤波器内系统等效输入噪声带宽为
等效噪声带宽的公式为
跟踪滤波器2的信噪改 善比为（其中N为带通滤波器中开关逐个接通