一种用于弹光调制的数字锁相硬件电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于弹光调制的数字锁相硬件电路，是一种能够实现对弹光调制驱动信号频率控制，对经过调制的光波的1、2、3倍频信号进行数字锁相的处理电路，属于弹光调制技术的硬件实现技术领域。
【背景技术】
[0002]在光电与传感技术的发展进程中，微弱信号被淹没在强噪声背景中的情形时有出现，锁相放大器能够对其他方式无法测量的微弱量进行测量，例如微电压、微电流等，被广泛应用于物理、化学、生物医学、遥感等多种领域。
[0003]该技术根据噪声与参考信号不相关性，而被噪声淹没的被测信号与参考信号有着非常高的相关性的原理进行设计。现有的数字锁相器，需要参考通道以信号输入通道相同的采样速率提供数字相敏检波器所需要的相位信息，因此对得到的相位信息的准确性，对数字锁相的效果有巨大的影响，针对现有数字锁相器，弹光调制信号提供的参考信号与模拟信号频率很难完全一致，造成相位的相对不稳定，影响最终测得数据的准确性。在同一FPGA中使用多通道数字频率合成技术(Direct Digital Synthesis DDS)，由同一频率控制字控制弹光调制器驱动控制信号与数字锁相参考信号的产生。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术中所存在的不足，提供一种保证弹光调制器驱动控制信号与数字锁相参考信号频率一致、并对调制后的信号进行数字锁相处理的硬件电路，该弹光调制器的驱动控制和数据处理可以并行进行，效率高、准确性高、实时性好。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种用于弹光调制的数字锁相硬件电路，包括FPGA控制与处理模块、高压驱动模块、弹光调制器、探测器、模拟信号放大模块、单端转差分模块、AD采集模块、USB传输模块、Labview显示模块和电源模块，所述FPGA控制与处理模块、高压驱动模块、弹光调制器、探测器、模拟信号放大模块、单端转差分模块、AD采集模块依次连接，所述AD采集模块与FPGA控制与处理模块连接，所述FPGA控制与处理模块通过USB传输模块与Labview显示模块连接。
[0007]所述FPGA控制与处理模块的芯片选用EP1C6Q240C8，控制高压驱动模块、模拟信号放大模块和AD采集模块，将采回的数据处理后通过USB传输模块输出到Labview显示模块。
[0008]所述高压驱动模块包括功率放大电路、充放电回路和阻抗匹配电路，所述功率放大电路接收FPGA控制与处理模块的控制信号，所述充放电回路为LC震荡提供充电和放电回路，所述阻抗匹配电路将电感L和电容C相匹配，使负载电路谐振，通过对电容C的充电和放电实现谐振和电压放大。
[0009]所述弹光调制器的弹光晶体为砸化锌，在FPGA控制与处理模块的控制下工作在谐振状态。
[0010]所述探测器的型号为PDA10A，探测波长为200-1100nm，带宽范围0-180MHZ，最小等效噪声功率3.5X 10_nW/Hz1/2，充分将调制后的光信号转化为电信号输出。
[0011]所述模拟信号放大模块包括固定电压放大和放大可调电路，所述固定电压放大接收探测器的信号，将微弱信号进行电压放大，经放大可调电路作为AD采集模块的输入信号，所述放大可调电路的放大器型号为AD8250，具有宽电源电压范围，数字式或引脚可编程，可编程增益:1、2、5、10。
[0012]所述单端转差分模块接收放大后的模拟信号，实现单端转差分信号。
[0013]所述AD采集模块接收单端转差分模块转换后的模拟信号，FPGA输出控制信号，控制AD采集模块采集，并将结果输入FPGA控制与处理模块，所述AD采集模块采用AD8138与AD9220芯片级联，AD8138实现单端至差分的转换和共模电平移位，模拟输入范围-4.7V-3.4V，具有1MHz的采样率，12位数字输出。
[0014]所述USB传输模块的控制芯片型号选用CY7C68013A-56PVXI，负责将FPGA控制与处理模块采集并处理后的数据发送到Labview显示模块进行显示。
[0015]所述电源模块包括可调数字电源、模拟电源和数字电源，为其他模块进行供电。
[0016]与现有技术相比本发明所具有的有益效果为:
[0017]I)数字锁相的模拟控制信号与参考信号在同一 FPGA的同一频率控制字下产生，保证频率的一致性，系统数字锁相的结果误差小；
[0018]2)改变频率控制字，可实现对锁相频率进行微调，弹光调制晶体谐振频率漂移时和采用不同弹光晶体时实现在新的谐振频率上锁相，应用灵活方便；
[0019]3)系统AD采集时钟与DDS中驱动信号及参考信号的参考时钟为同一时钟，保证模拟信号与参考信号相对相位的稳定，具有较高的准确性、稳定性；
[0020]4)系统设计1、2、3倍频参考频率，只要主控芯片FPGA资源满足，可实现更多倍频锁相，电路具有较大应用空间；
[0021]5)电路采用FPGA控制，Labview显示的结构，数据采集处理与传输同时进行，电路具有较高的效率。
【附图说明】
[0022]下面通过附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0023]图1为数字锁相电路框图；
[0024]图2为高压驱动模块电路原理图；
[0025]图3为弹光调制光路原理图；
[0026]图4为模拟信号放大与AD采集电路框图；
[0027]图5为FPGA控制与数据处理框图；
[0028]图6为FPGA与USB数据传输模块框图。
[0029]图中:1为FPGA控制与处理模块、2为高压驱动模块、3为弹光调制器、4为探测器、5为模拟信号放大模块、6为单端转差分模块、7为AD采集模块、8为USB传输模块、9为Labview显示模块、10为电源模块、11为功率放大电路、12为充放电回路、13为阻抗匹配电路、14为固定电压放大、15为放大可调电路。
【具体实施方式】
[0030]下面实施例结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0031]如图1至图6所示，一种用于弹光调制的高灵敏数字锁相器的结构，包括:功率放大模块11，接收FPGA控制与处理模块I的控制信号，FPGA输出的信号控制驱动电压的频率，弹光调制器3工作在谐振状态，把激励信号放大，为充放电回路12提供足够大的功率信号；充放电回路12，为LC震荡提供充电和放电回路；阻抗匹配电路13，将电感L和电容C相匹配，使负载电路谐振，通过对电容C的充电和放电实现谐振和电压放大；模拟信号放大模块5，接收探测器4的信号，将微弱信号进行电压放大，作为AD采集模块7的输入信号；单端转差分模块6，接收放大后的模拟信号，实现单端转差分信号；AD采集模块7，接收放大后的模拟信号，FPGA为AD提供时钟，控制AD采集，将转换后的信号发送到FPGA ；FPGA控制与数据处理模块1，控制高压驱动模块2、模拟信号放大模块5、AD采集模块7，将采回的数据处理后通过USB发送出去；USB数据传输模块8，负责将FPGA采集并处理后的数据，发送到Labview显示模块9显示；电源模块10，为电路其他模块供电。
[0032]优选地，所述弹光调制器3的弹光调制晶体为砸化锌，对近、中红外辐射有很好的透过性，调制速率高、稳定性好、光谱范围大。
[0033]优选地，所述探测器4型号为PDA10A，其特征在于，探测波长为200-1100nm，带宽范围0-180MHZ，最小等效噪声功率3.5X 10_nW/Hz1/2，充分将调制后的光信号转化为电信号输出。
[0034]优选地，所述高压驱动模块2设计为一种基于LC谐振升压原理的高压驱动电路，Q值高，输出电压高，稳定性好，带负载能力强，驱动电压频率可控。
[0035]优选地，所述模拟信号放大模块5中的放大器型号为AD8250，宽电源电压范围，数字式或引脚可编程，可编程增益:1、2、5、10。
[0036]优选地，所述的AD采集模块7采用AD8138与AD9220芯片级联，AD8138实现单端至差分的转换和共模电平移位，模拟输入范围-4.7V-3.4V,具有1MHz的采样率，12位数字输出。
[0037]优选地，所述的FPGA控制与处理模块I的芯片型号为EP1C6Q240C8，对驱动电路进行驱动控制，AD采集与控制，将采集的数据与内部产生的信号进行乘累加再平方和的处理，再通过USB接口传到Labview。
[0038]优选地，所述的USB传输模块8的控制芯片型号为CY7C68013A-56PVXI，FPGA控制USB的读写设置，数据处理的新一个周期内将上一周期得到的数据