基于壓頻轉(zhuǎn)換的相敏檢波器

劉文杰, 李寶華

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長春130012)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 微弱信號檢測電路應(yīng)用非常廣泛[1-4], 相敏檢波是弱信號檢測的有效手段[5-7]。鎖相放大器是相敏檢波電路在微弱信號檢測上的實(shí)際應(yīng)用[8-11], 分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器。模擬鎖相放大器是通過模擬乘法器和低通濾波器實(shí)現(xiàn)相敏檢波, 對模擬電路的要求較高, 不便于實(shí)現(xiàn); 數(shù)字鎖相放大器將模擬信號數(shù)字化后進(jìn)行相敏檢波, 但需要高速高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊, 成本較高。

筆者采用準(zhǔn)數(shù)字的方法, 基于壓頻轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)相敏檢波。 通過壓頻轉(zhuǎn)換電路, 將被測模擬信號線性轉(zhuǎn)換成頻率信號, 利用單片機(jī)依照參考信號對頻率信號進(jìn)行計(jì)數(shù)和數(shù)字濾波[12-15], 得到被測信號值。 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單, 成本低, 可靠性高, 便于實(shí)現(xiàn)。

1 相敏檢波原理

1.1 基本相敏檢波

相敏檢測的原理如圖1 所示, 由1 個(gè)模擬乘法器和低通濾波器組成。 相敏檢測是一種相關(guān)檢測方法, 其原理是將輸入到檢測設(shè)備的有用信號s(t)和噪聲n(t)的疊加與已知參考信號y(t)相乘后求積分, 結(jié)果為

由于y(t) 與s(t) 相關(guān), 與n(t) 不相關(guān), 所以Rny(τ)= 0, 式(1) 中僅剩Rsy(τ)。 相關(guān)檢測的原理是利用已知信號與被測信號的相關(guān)關(guān)系檢測待測信號。

設(shè)被測信號為x(t)=Vscos(ω0+θ),參考信號為方波r(t), 其幅度為Vr, 角頻率ω0。 根據(jù)傅里葉分析方法可知

圖1 基本相敏檢波原理圖Fig.1 Schematic diagram of baic phase sensitive detector

經(jīng)低通濾波后, 濾除所有交流分量, 僅剩直流分量輸出, 即

相位差θ=0 時(shí)(即被測信號和參考信號同頻同相時(shí)), 該輸出信號最大。

由于參考信號已知, 即可根據(jù)輸出uo(t)得到被測信號的幅值

1.2 基于壓頻轉(zhuǎn)換的相敏檢波

基于壓頻轉(zhuǎn)換的相敏檢波器的原理如圖2 所示, 由一個(gè)壓頻轉(zhuǎn)換電路和一個(gè)計(jì)數(shù)器及數(shù)字濾波器組成。 壓頻轉(zhuǎn)換電路將被測信號幅值轉(zhuǎn)換為信號的頻率值, 轉(zhuǎn)換后的頻率信號送入計(jì)數(shù)器。 計(jì)數(shù)器在參考信號的作用下對該頻率信號進(jìn)行計(jì)數(shù), 再通過數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波, 便可得到被測信號的幅值。

圖2 基于壓頻轉(zhuǎn)換的相敏檢波原理圖Fig.2 Schematic diagram of phase sensitive detector based on voltage frequency conversion

由于壓頻轉(zhuǎn)換電路是將被測信號的幅值轉(zhuǎn)換成信號的頻率值, 需要被測信號為正信號, 所以在被測信號上疊加直流偏置VT。 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)原理如圖3 所示。Vin為被測信號,Vref為與被測信號同頻同相的參考信號,S0為直流偏置VT半周的面積,S1為被測信號Vin半周的面積。 系統(tǒng)要檢測被測信號值, 即為計(jì)算圖示面積S=2S1。 通過壓頻轉(zhuǎn)換電路將被測模擬電壓信號Vin轉(zhuǎn)換為頻率信號, 面積轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)值。 從而將計(jì)算面積的積分運(yùn)算轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)運(yùn)算。

具體實(shí)現(xiàn)過程: 設(shè)正半軸內(nèi)的計(jì)數(shù)值為CH, 負(fù)半軸的計(jì)數(shù)值為CL, 正、 負(fù)半周面積SH=S0+S1、SL=S0-S1,CH-CL=SH-SL=(S0+S1)-(S0-S1)= 2S1=S, 根據(jù)計(jì)數(shù)值便可得到面積, 由于面積和信號成比例, 從而得到信號值。

圖3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of system implementation

2 硬件電路

系統(tǒng)電路原理圖如圖4 所示。 壓頻轉(zhuǎn)換電路被測信號幅值轉(zhuǎn)換為頻率信號的頻率值, 選用芯片VFC32, 主控芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和數(shù)字濾波, 選用51 系列單片機(jī)STC12C5A60S2。 被測信號通過VFC32 的引腳14 輸入, 輸出的頻率信號通過引腳7 輸出后連接到單片機(jī)的引腳P3.3。 參考信號通過單片機(jī)的引腳P1.0 和P3.2 輸入。

圖4 硬件電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of hardware circuit

3 軟件算法

系統(tǒng)整體軟件流程圖如圖5 所示。 圖5a 為主程序流程圖, 圖5b 為外部中斷INT0 服務(wù)子函數(shù)流程圖, 圖5c 為外部中斷INT1 服務(wù)子函數(shù)流程圖。 主程序初始化, 循環(huán)檢測是否發(fā)生數(shù)據(jù)讀取, 當(dāng)有數(shù)據(jù)讀取時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波后輸出。 外部中斷INT0 的觸發(fā)信號為參考信號, 在中斷服務(wù)子程序內(nèi)執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取;外部中斷1 的觸發(fā)信號為經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換后的頻率信號, 在中斷服務(wù)子程序內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù), 當(dāng)參考信號為高電平時(shí)進(jìn)行加法計(jì)數(shù), 參考信號為低電平時(shí)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flow chart

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取頻率為10 Hz 的正弦波進(jìn)行相敏原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)方案驗(yàn)證實(shí)驗(yàn), 并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)框圖如圖6 所示。 信號發(fā)生器DG1022 生成被測信號和參考信號。 被測信號輸入壓頻轉(zhuǎn)換電路后, 輸出的頻率信號輸入單片機(jī)。 參考信號直接輸入單片機(jī), 單片機(jī)根據(jù)參考信號對頻率信號進(jìn)行計(jì)數(shù)和數(shù)字濾波后, 輸出信號通過串口發(fā)送至PC 機(jī), 在PC 機(jī)上觀察輸出結(jié)果。

4.1 原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

輸入信號幅值為3 V, 在輸入信號和參考信號相位差為-90° ～90°間進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn), 得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 輸出數(shù)值與相位差關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The relationship between output value and phase difference

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制輸出數(shù)值與相位差關(guān)系繪制輸出數(shù)值與輸入電壓關(guān)系曲線如圖7 所示。 根據(jù)圖7可知, 輸出數(shù)值與相位差近似成余弦函數(shù)關(guān)系, 這與相敏檢波原理分析得到的公式(4)相符合, 從而在原理上驗(yàn)證了該方案的正確性。

圖7 輸出數(shù)值與相位差關(guān)系Fig.7 Relationship between output value and phase difference

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of experimental system

4.2 方案驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

輸入信號與參考信號同頻同相, 輸入信號幅值在0 ～5 V 間進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn), 得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制輸出數(shù)值與輸入電壓關(guān)系曲線如圖8 所示。 圖8 中實(shí)線為實(shí)際測量數(shù)據(jù)曲線, 虛線為數(shù)據(jù)擬合曲線。 由圖8 擬合曲線得到輸出數(shù)值y與輸入電壓x的關(guān)系為y= 276.22x+30.66, 呈線性關(guān)系, 從而驗(yàn)證了此方案的可行性。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)的相對誤差與輸入電壓的關(guān)系如圖9 所示。 由圖9 可以看出, 系統(tǒng)整體相對誤差較小。 由于該方法采用51 單片機(jī)的外部中斷進(jìn)行測量, 而單片機(jī)的中斷響應(yīng)需要響應(yīng)時(shí)間, 造成誤差, 尤其在輸入電壓幅值較小時(shí), 其相對誤差較大。

表2 輸出數(shù)值與輸入電壓關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The relationship between output value and input voltage

圖8 輸出數(shù)值與輸入電壓關(guān)系Fig.8 Relationship between output value and input voltage

5 結(jié) 語

圖9 相對誤差與輸入電壓關(guān)系Fig.9 Relationship between relative error and input voltage

筆者提出了一種基于壓頻轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)相敏檢波的微弱信號檢測方法。 分析了相關(guān)檢測原理, 完成了系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn), 進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及誤差分析, 結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性。 由于單片機(jī)中斷響應(yīng)造成的誤差, 后續(xù)可以改用FPGA 實(shí)現(xiàn), 減小誤差, 使系統(tǒng)的整體性能得到大幅提升。 整個(gè)系統(tǒng)性能上具有測量動(dòng)態(tài)范圍大、 檢測靈敏度高、 線性度好等優(yōu)點(diǎn), 同時(shí)模塊小, 成本低, 具有良好的應(yīng)用價(jià)值。