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   使用常識
具有放大作用的信號采集電路的制作方法

 

發布日期:[2018-9-30 10:19:53]    來源:泰安鴻興達電子

 
 
基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路,包括方波整形與移相???、1級放大濾波???、相敏檢波???、2級放大濾波??楹拖允鏡緶紡??,1級放大濾波???、相敏檢波???、2級放大濾波???、顯示電路??橐來蝸嗔?,方波整形與移相??槭涑齠肆酉嗝艏觳?槭淙攵?。本實用新型采用模擬開關實現開關乘法器電路,達到對微弱信號的鎖相濾除非同頻噪聲并精確放大微弱信號;并基于阻抗匹配電路和鎖相技術,將噪聲輸出減小到最小。
【專利說明】基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于微弱信號去噪放大和鎖相【技術領域】,涉及一種半導體集成電路,具體為一種基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路。

【背景技術】
[0002]不管在工業領域、軍事領域或者日常生活中,各種微弱信號隨處可見,例如,各種傳感器探測中獲得的微弱電信號、強噪聲中的語音信號,因此就有檢測微弱電壓信號的需要。
[0003]目前市場上應用于微弱信號的檢測放大轉換處理電路存在放大電路結構復雜、分析繁瑣的弊端,尤其對差模和共模的輸入信號采用不同的分析處理方法,雖然精度較高、抗干擾性較強,但電路系統過于復雜且成本較高。而市場上的電路結構相對簡單且成本較低的普通微弱信號檢測電路,其一般只能處理毫伏級別微弱信號,且抗干擾性和可靠性較差,難以滿足檢測精度要求較高的場合。
實用新型內容
[0004]針對現有技術存在的問題,本實用新型結合了阻抗匹配技術和鎖相技術,提出了一種基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路。
[0005]為解決上述技術問題,本實用新型采用如下的技術方案:
[0006]基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路,包括:
[0007]方波整形與移相???、I級放大濾波???、相敏檢波???、2級放大濾波??楹拖允鏡緶紡??,I級放大濾波???、相敏檢波???、2級放大濾波???、顯示電路??橐來蝸嗔?,方波整形與移相??槭涑齠肆酉嗝艏觳?槭淙攵?;
[0008]其中,方波整形與移向??榘ㄒ來蝸嗔牡諞喚渙鞣糯蟮緶?、比較器電路、移相電路;1級放大濾波??榘ㄏ嗔擁牡詼渙鞣糯蟮緶泛痛瞬ǖ緶?;相敏檢波??榘ㄏ嗔擁姆聰嗥韉緶泛突諛D飪氐目爻朔ㄆ韉緶?,方波整形與移向??櫚氖涑魴藕攀淙肟爻朔ㄆ韉緶?,I級放大濾波??櫚氖涑魴藕歐至鉸?,分別輸入反相器電路和開關乘法器電路;2級放大濾波??榘ㄏ嗔擁牡屯瞬ǖ緶泛橢繃鞣糯蟮緶?;顯示電路??榘ㄏ嗔擁腁D采樣電路和微處理器顯示電路。
[0009]方波整形與移向??櫓?,第一交流放大電路由高速運算放大器0PA690構成,比較器電路由TL3116型號比較器構成,移相電路為RC移相電路。
[0010]I級放大濾波??櫓?,第二交流放大電路由INA128芯片構成,帶通濾波電路由于芯片0PA2140構成。
[0011]相敏檢波??櫓?,反相器電路由運算放大器0PA140構成,開關乘法器電路由模擬開關芯片TS5A3159構成。
[0012]2級放大濾波??櫓?,低通濾波電路由芯片0PA140構成,直流放大電路由運算放大器0PA690構成。
[0013]顯示電路??櫓?,AD采樣電路由AD轉換器ADS1118構成,微處理器顯示電路為MSP430F6638 芯片。
[0014]本實用新型采用模擬開關實現開關乘法器電路,達到對微弱信號的鎖相濾除非同頻噪聲并精確放大微弱信號;基于阻抗匹配電路和鎖相技術,可將噪聲輸出減小到最小。
[0015]本實用新型的工作原理如下:
[0016]微弱信號經I級放大濾波??楹笫淙胂嗝艏觳?櫚目爻朔ㄆ韉緶?,若與方波整形與移相??槭涑齙姆講齔逍藕磐嗍?,相敏檢波??櫚氖涑魴藕諾繆刮畬籩?,BP信號U2電壓值;通過調節方波相位,使相敏檢波??槭涑魴藕諾繆怪蕩锏階畬?,再根據各極放大倍數以及阻抗匹配的總和便可精確計算原始輸入微弱信號的電壓信號。
[0017]與現有技術相比,本實用新型具有以下優點:
[0018]1、可檢測微伏、納伏甚至更低電壓的微弱交流電壓信號;
[0019]2、采用阻抗匹配電路,可減少信號反射;
[0020]3、采用鎖相技術,使得測量更精確;
[0021]4、采用低噪低溫漂低失真的鎖定放大器,電路更加穩定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型系統框圖;
[0023]圖2為方波整形與移向??榻峁箍蟯?;
[0024]圖3為I級放大濾波??榻峁箍蟯?;
[0025]圖4為相敏檢波??榻峁箍蟯?;
[0026]圖5為2級放大濾波??榻峁箍蟯?;
[0027]圖6為采樣顯示??榻峁箍蟯?;
[0028]圖7為【具體實施方式】中方波整形與移向??櫚牡緶吠?;
[0029]圖8為【具體實施方式】中第二交流放大電路圖;
[0030]圖9為【具體實施方式】中帶通濾波電路圖;
[0031]圖10為【具體實施方式】中相敏檢波??櫚緶吠?;
[0032]圖11為【具體實施方式】中低通濾波電路圖;
[0033]圖12為【具體實施方式】中直流放大電路圖。

【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和優選方案對本實用新型進行詳細說明,以下優選方案僅用于說明和解釋本實用新型。
[0035]如圖1所示,本發明信號放大與檢測電路包括方波整形與移相???、I級放大濾波???、相敏檢波???、2級放大濾波??楹拖允鏡緶紡??,I級放大濾波???、相敏檢波???、2級放大濾波???、顯示電路??橐來蝸嗔?,方波整形與移相??槭涑齠肆酉嗝艏觳?槭淙攵?。第一路信號為微弱交流待檢測信號,從I級放大濾波??槭淙攵聳淙?,經I級放大濾波??榻蠭級放大后,可通過頻譜觀察出第一路信號中可能會有多種頻率信號以及噪聲的混合,此時通過信號發射器產生待檢測信號的同頻正弦信號,即第二路信號,將第二路信號輸入方波整形與移相???。
[0036]如圖2所示,方波整形與移向??榘ㄒ來蝸嗔牡諞喚渙鞣糯蟮緶?、比較器電路與移相電路;第二路信號經第一交流放大電路進行高倍數放大至截止失真,使第二路信號接近方波信號并發送至比較器電路獲得標準方波信號,移相電路可對標準方波信號進行任意的相位移動,獲得電壓信號Ulo由于第一交流電路的目的僅為高倍放大使信號逼近方波,故只需根據信號頻率選取合適增益帶寬積的芯片。第一交流放大電路用于獲得方波信號,因此需采用增益帶寬較大的運算放大器,但對精度要求不高,所以本具體實施中第一交流放大電路由高速運算放大器OPA690構成,放大倍數為500 ;比較器電路由TL3116型號比較器構成;移相電路為RC移相電路。方波整形與移向??櫚木嚀宓緶芳?。
[0037]如圖3所示,I級放大濾波??榘ㄏ嗔擁牡詼渙鞣糯蟮緶泛痛瞬ǖ緶?,第一路信號經第二交流放大電路進行放大,輸出電壓信號送入帶通濾波電路中進行濾波帶外噪聲的預消除,得到電壓信號U2。由于第二交流電路除了需要將微弱信號放大至伏特級,還需要防止由芯片內部產生的噪聲或者失真現象,故需要采用低噪低失真且放大倍數足夠大的芯片。由于第二交流放大電路需要放大輸入的微弱信號以便后續測量,要求高的精密度,所以本具體實施中,第二交流放大電路由精密運算放大器INA128芯片構成,低噪低溫漂且放大倍數可調;帶通濾波器由芯片0PA2140構成。第二交流放大電路的具體電路見圖8,帶通濾波電路見圖9。
[0038]如圖4所示,相敏檢波??榘ǚ聰嗥韉緶泛突諛D飪氐目爻朔ㄆ韉緶?,電壓信號Ul作為脈沖控制信號輸入開關乘法器電路,電壓信號U2輸入反相器電路,反相器電路將信號反相造成和原始信號相位相差180度,其輸出信號和原始電壓信號U2作為兩路信號輸入開關乘法器電路,最終輸出的電壓信號為U3,由于Ul為方波信號,則可采用數字O和I表示,若Ul為高電平,輸出信號U3為原始輸入信號U2的反相信號;若Ul為低電平,則輸出信號U3為原始信號輸入信號U2 ;當改變前級方波整形中得到的方波的相位使之與U2不同相或反相時,U3中部分為原始信號、部分為其反相信號。本具體實施中,見圖10,開關乘法器電路由TI公司的模擬開關芯片TS5A3159構成,管腳6為控制信號Ul的輸入,兩路相位相差180度的信號分別從管腳I和3輸入,管腳4為輸出端;反相器電路由低噪運算放大器0PA140構成。
[0039]如圖5所示,2級放大濾波??榘ㄏ嗔擁牡屯瞬ǖ緶泛橢繃鞣糯蟮緶?,電壓信號U3經低通濾波電路輸出直流電壓信號,經直流放大電路獲得直流電壓信號U4,由上一級電路的特點可發現當Ul與U2同相或反相時得到的U4幅值最大,即通過調節Ul信號的相位找到這個最大的幅值,用來計算待測信號的幅值。本具體實施中,低通濾波電路由低噪聲芯片0PA140構成,其電路見圖11,直流放大電路由0PA690構成,其電路見圖12。
[0040]如圖6所示,采樣顯示??榘ㄏ嗔擁腁D采樣電路和微處理器顯示電路,直流電壓信號U4經AD采樣電路將U4的幅值轉化為數字信號實時保存至微處理器,通過將最終得到的一系列幅值進行去干擾,經擬合獲得U4幅值擬合值,根據前級所有放大器的總放大倍數便可得到待測微弱信號幅值,并在顯示屏上顯示。本具體實施中,AD采樣電路由精確AD轉換器ADSl 118構成,微處理器顯示電路為MSP430F6638芯片,用來處理并計算微弱信號大小,顯示屏為IXD屏。
【權利要求】
1.基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路,其特征是,包括: 方波整形與移相???、I級放大濾波???、相敏檢波???、2級放大濾波??楹拖允鏡緶紡??,I級放大濾波???、相敏檢波???、2級放大濾波???、顯示電路??橐來蝸嗔?,方波整形與移相??槭涑齠肆酉嗝艏觳?槭淙攵?; 其中,方波整形與移向??榘ㄒ來蝸嗔牡諞喚渙鞣糯蟮緶?、比較器電路、移相電路;1級放大濾波??榘ㄏ嗔擁牡詼渙鞣糯蟮緶泛痛瞬ǖ緶?;相敏檢波??榘ㄏ嗔擁姆聰嗥韉緶泛突諛D飪氐目爻朔ㄆ韉緶?,方波整形與移向??櫚氖涑魴藕攀淙肟爻朔ㄆ韉緶?,I級放大濾波??櫚氖涑魴藕歐至鉸?,分別輸入反相器電路和開關乘法器電路;2級放大濾波??榘ㄏ嗔擁牡屯瞬ǖ緶泛橢繃鞣糯蟮緶?;顯示電路??榘ㄏ嗔擁腁D采樣電路和微處理器顯示電路。
2.如權利要求1所述的基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路,其特征是: 所述的第一交流放大電路由高速運算放大器0PA690構成,所述的比較器電路由TL3116型號比較器構成,所述的移相電路為RC移相電路。
3.如權利要求1所述的基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路,其特征是: 所述的第二交流放大電路由INA128芯片構成,所述的帶通濾波電路由于芯片0PA2140構成。
4.如權利要求1所述的基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路,其特征是: 所述的反相器電路由運算放大器0PA140構成,所述的開關乘法器電路由模擬開關芯片TS5A3159構成。
5.如權利要求1所述的基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路,其特征是: 所述的低通濾波電路由芯片0PA140構成,所述的直流放大電路由運算放大器0PA690構成。
6.如權利要求1所述的基于鎖定放大器的信號放大與檢測電路,其特征是: 所述的AD采樣電路由AD轉換器ADS1118構成,所述的微處理器顯示電路為MSP430F6638 芯片。


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