外差同步旋转电容滤波锁定放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于微弱信号检测技术领域，设及外差同步旋转电容滤波锁定放大 器。
【背景技术】
[0002] 微弱信号检测是把淹没在噪声中的信号提取出来，检测的方法有很多种，但无论 哪种方法，都是利用信号和噪声的某种差异来区分信号和噪声。例如，如果信号具有某种特 性，而噪声不具有运种特性，那么就可W利用运种信号所独有的特性把噪声和信号区分开 来;有时信号的独有特性在时域并不明显，那就将信号变换到其他域进行分析，找出噪声和 信号的差异，例如，小波变换，就是基于运样的思想从噪声中提取信号。但是，如果信号不具 备运样的独有特性，例如信号频带和噪声频带重叠，则利用简单的滤波技术是不可能解决 问题的，单纯利用窄带化技术也未必奏效，在运种情况下，可W人为地赋予信号某种特性， 再利用运种特性来区分放大了的信号和噪声。
[0003] 旋转电容滤波器是一种特定的开关电容滤波器。开关电容滤波器抑制噪声的能力 很强，它既包含模拟电路，又包含电子开关电路。国外已经有多种集成化开关电容滤波器问 世，并在科研和工业产品中已经使用得比较普遍。在开关电容滤波器中，驱动电子开关的脉 冲信号频率可W由晶体振荡器提供，运使得频率特性非常稳定。 【实用新型内容】
[0004] 为了解决现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种外差同步旋转电容滤波 锁定放大器，把旋转电容滤波器引入到锁定放大器的信号通道，即对调制信号再次赋予一 种频率特征，再利用运种频率特征将放大了的信号解调出来，从而提高交流增益，降低直流 增益，从而展宽整个系统的动态储备，提高输出的稳定性。
[0005] 为解决上述问题，本实用新型具体采用W下技术方案：
[0006] 外差同步旋转电容滤波锁定放大器，其特征在于，包括低噪声放大器、乘法器、相 敏检测器、旋转电容滤波器、交流放大器、解调器、低通滤波器、移相器W及方波振荡器，所 述低噪声放大器前置并依次连接于乘法器、相敏检测器、旋转电容滤波器、交流放大器、解 调器W及低通滤波器，所述移相器的输出端与相敏检测器的输入端相连接，所述方波振荡 器的输出端分别与乘法器、旋转电容滤波器W及解调器相连接。
[0007] 前述的外差同步旋转电容滤波锁定放大器，其特征在于，所述交流放大器采用忍 片INA128。交流放大电路除了需要将微弱信号放大到伏特级，还需要防止忍片内部噪声或 失真，因此采用低噪声低失真且放大倍数足够大的忍片INA128。
[000引前述的外差同步旋转电容滤波锁定放大器，其特征在于，所述乘法器可W采用TI 公司的模拟开关忍片TS5A3159。
[0009]前述的外差同步旋转电容滤波锁定放大器，其特征在于，所述旋转电容滤波器的 开关频率与方波振荡器输出的方波信号相同。相敏检测器的输出信号输入到旋转电容滤波 器，旋转电容滤波器的开关频率为高稳定度的方波信号fo,作用相当于中屯、频率为(2n-l) fO的带通滤波器。
[0010] 前述的外差同步旋转电容滤波锁定放大器，其特征在于，所述方波振荡器为Ilhz 方波振荡器。
[0011] 输入的调制信号fs经前置低噪声放大器放大后输入到乘法器，经方波振荡器输出 的高稳定度的方波信号fO再次斩波，乘法器输出信号和经移相器移相输出的参考信号一起 输入相敏检测器，相敏检测器的输出信号输入到旋转电容滤波器，旋转电容滤波器的开关 频率为高稳定度的1 Az方波信号fO，作用相当于中屯、频率为（2n-l )f0的带通滤波器，旋转 电容滤波器的输出信号输入到交流放大器进行放大后，禪合到解调器，解调器实际上也是 一个相敏检测器，其参考信号是方波振荡器产生的Uhz方波信号，解调器的输出信号输入 到低通滤波器，进行低通滤波，滤除高频分量及附加噪声，输出放大的直流电压信号，低通 滤波电路采用低噪声忍片0PA140,直流放大电路采用0PA690。
[0012] 本实用新型的有益效果:本实用新型提供的一种外差同步旋转电容滤波锁定放大 器，一方面可W解决当信号和噪声频带重叠，不易提取微弱信号的问题；另一方面，在将放 大了的微弱信号解调出来的同时，提高交流增益，降低直流增益，从而展宽整个系统的动态 储备，提高输出的稳定性。
【附图说明】
[0013] 图1为外差同步旋转电容滤波锁定放大器的结构框图；
[0014] 图2为利用运算放大器构成的旋转电容滤波器电路原理图。
[0015] 附图标记含义如下：
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。
[0017] 如图1所示，外差同步旋转电容滤波锁定放大器，包括低噪声放大器、乘法器、相敏 检测器、旋转电容滤波器、交流放大器、解调器、低通滤波器、移相器W及方波振荡器，其中 低噪声放大器前置，低噪声放大器、乘法器、相敏检测器、旋转电容滤波器、交流放大器、解 调器W及低通滤波器依次相连，所述移相器的输出端与相敏检测器的输入端相连接，所述 方波振荡器的输出端分别与乘法器、旋转电容滤波器W及解调器相连接。
[001引进一步的，所述交流放大器采用忍片INA128,所述乘法器采用模拟开关忍片 TS5A3159,所述旋转电容滤波器的开关频率与方波振荡器输出的方波信号相同，所述方波 振荡器为Uhz方波振荡器。
[0019]系统的输入信号x(t)是频率为fs的调制信号，参考输入r(t)是频率为fr的方波， 一般情况下，输入信号的调制频率和参考输入信号的频率相等。系统包含一个输出高稳定 度的Uhz方波信号的方波振荡器，该方波振荡器可W由晶体振荡器经分频实现。在锁定放 大器的信号通道中用Uhz方波信号fO对输入正弦调制信号(或斩波信号)进行再次斩波，使 被测信号再附加一种频率特征，即C点信号既具有原调制信号的频率特征，又具有Ilhz方波 信号的频率特征，包含了 fs和fO的各次谐波。将C点信号与参考通道输出的频率为fr的D点 信号一起送到相敏检测器(PSD)进行相敏检测，可得到被测信号中fs =打的频率成分，同 时，相敏检测器的输出信号仍然具有Uhz方波信号的频率特性。
[0020] 旋转电容滤波器的开关频率为高稳定度的方波信号fO,它的作用相当于中屯、频率 为(2n-l)f0的带通滤波器，它对其输入信号中频率为fO的分量及奇次谐波进行窄带滤波， 输出结果F点的信号是频率为fO的近似方波，其幅度与输入信号振幅成正比，经交流放大器 放大后被禪合到解调器。解调器实际上也是一个相敏检测器，其参考信号为Uhz的方波信 号，解调器的结果是幅度正比于输入信号振幅的直流电压，经低通滤波器化PF)滤除噪声， 输出直流电压。锁定放大器输出的直流电压与输入信号的振幅成正比，通过调整参考通道 中的移相器，使参考信号和输入信号的相位差为零，从而得到最大的直流输出。
[0021] 如图2所示，利用运算放大器构成的旋转电容滤波器实用电路。电子开关kl和k2在 方波脉冲控制下进行切换。当方波为高电平时，kl和k2均分别连接到3;当方波为低电平时， kl和k2均分别连接到1。对于电阻R来说，开关切换和不切换效果相同，图中电容切换过程相 当于电容C在两个半圆形极板中W开关频率f0=w0/23i旋转，所W运种开关电容滤波器又叫 做旋转电容滤波器。其幅频响应为
式中，Ih(W)陵示幅频响应，R表示电阻R的电阻值，R康示电阻化的电阻值，i表示整数值，范 围从1到正无穷，W表示角频率，WO表示中屯、频率fO所对应的角频率，C表示电容C的电容值。
[0022] W上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员 应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化 和改进，运些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围 由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1. 外差同步旋转电容滤波锁定放大器，其特征在于，包括低噪声放大器、乘法器、相敏 检测器、旋转电容滤波器、交流放大器、解调器、低通滤波器、移相器以及方波振荡器，所述 低噪声放大器前置并依次连接于乘法器、相敏检测器、旋转电容滤波器、交流放大器、解调 器以及低通滤波器，所述移相器的输出端与相敏检测器的输入端相连接，所述方波振荡器 的输出端分别与乘法器、旋转电容滤波器以及解调器相连接。2. 根据权利要求1所述的外差同步旋转电容滤波锁定放大器，其特征在于，所述交流放 大器采用芯片INA128。3. 根据权利要求1所述的外差同步旋转电容滤波锁定放大器，其特征在于，所述乘法器 采用模拟开关芯片TS5A3159。4. 根据权利要求1所述的外差同步旋转电容滤波锁定放大器，其特征在于，所述旋转电 容滤波器的开关频率与方波振荡器输出的方波信号相同。5. 根据权利要求1所述的外差同步旋转电容滤波锁定放大器，其特征在于，所述方波振 荡器为llhz方波振荡器。
【专利摘要】本实用新型公开了外差同步旋转电容滤波锁定放大器，包括低噪声放大器、乘法器、相敏检测器、旋转电容滤波器、交流放大器、解调器、低通滤波器、移相器以及方波振荡器，低噪声放大器前置并依次连接于乘法器、相敏检测器、旋转电容滤波器、交流放大器、解调器以及低通滤波器，移相器的输出端与相敏检测器的输入端相连接，方波振荡器的输出端分别与乘法器、旋转电容滤波器以及解调器相连接。本实用新型提供的外差同步旋转电容滤波锁定放大器，把旋转电容滤波器引入到锁定放大器的信号通道，即对调制信号再次赋予一种频率特征，再利用这种频率特征将放大了的信号解调出来，从而提高交流增益，降低直流增益，提高输出的稳定性。
【IPC分类】H03G3/20, H03F1/26
【公开号】CN205283498
【申请号】CN201521130489
【发明人】行鸿彦, 闫岩
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2015年12月30日