一种应用于数字锁相放大器的数据采集系统

本发明涉及微弱信号检测，具体而言，涉及一种应用于数字锁相放大器的数据采集系统。

背景技术：

1、锁相放大器是一种常用于微弱信号检测领域的精密测量仪器，能够将被大量噪声淹没的信号提取出来，测量其幅值和相位。数字锁相放大器由于数字系统的灵活性、稳定性等优势，逐渐替代模拟锁相放大器成为研究重点。

2、锁相放大器自身的噪声特性是影响测量结果的重要因素，而对数字锁相放大器而言，作为数模混合电路的数据采集系统是噪声的主要来源之一。此外，锁相放大器通常需要输入与待测信号频率相同的外部参考信号，而在部分应用场景下无法提供参考信号时，需要锁相放大器内部产生参考信号。为了测量的准确性，需要在数据采集阶段对频率进行精准跟踪，否则将引起测量的波动和误差。

3、综上所述，研制高精度、低噪声的数据采集系统，并实现对待测信号频率的跟踪，生成准确的内部参考信号，有助于提升数字锁相放大器的性能，扩充应用场景。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种应用于数字锁相放大器的数据采集系统，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提出了一种应用于数字锁相放大器的数据采集系统，包括依次连接的模式切换模块、电压跟随器、单端转差分放大电路、可变增益放大电路、抗混叠滤波电路、模数转换电路、电源模块、卡尔曼滤波模块和频率跟踪模块；

3、其中，所述模式切换模块、电压跟随器、单端转差分放大电路、可变增益放大电路、抗混叠滤波电路、模数转换电路、电源模块集成于电路板中，所述卡尔曼滤波模块和频率跟踪模块集成于fpga板中；

4、所述模式切换模块用于根据控制信号切换数据采集的输入阻抗和耦合方式；

5、所述电压跟随器用于提供前后电路的高阻抗隔离；

6、所述单端转差分放大电路单端信号输入和差分信号的输入，并进行两档增益调节；

7、所述可变增益放大电路具有细粒度增益调节功能，用于以较小的步长调整放大倍数；

8、所述抗混叠滤波电路用于实现低通滤波，并滤除混叠噪声；

9、所述模数转换电路用于实现模数转换；

10、所述卡尔曼滤波模块用于在数字域进一步压制高斯噪声；

11、所述频率跟踪模块用于分析采集信号的频率成分，并对待测信号的频率进行实时跟踪和估计。

12、可选地，所述模式切换模块包括输入阻抗切换电路和耦合方式切换电路，所述输入阻抗切换电路和所述耦合方式切换电路由mosfet进行驱动，通过继电器实现切换。

13、可选地，所述电压跟随器设置于两路差分电路中，采用高输入阻抗和低输出阻抗设计，所述电压跟随器的输出端连接所述单端转差分放大电路。

14、可选地，所述单端转差分放大电路包括增益切换机制，所述增益切换机制通过继电器实现，允许在预设的两个增益级别之间切换，以适应不同振幅的信号输入。

15、可选地，所述可变增益放大电路优选采用可变增益放大器，通过切换输入电阻的方式实现-6db至26db的增益调节，调节步长为1db，所述增益调节通过spi接口实现，并通过继电器控制；

16、所述spi接口向所述可变增益放大器发送若干个增益控制码，分别对应不同的可调增益，结合单端转差分放大器中的增益调节挡位，将不同幅值信号放大至模数转换电路的接近满量程输入。

17、可选地，所述抗混叠滤波电路具有10mhz的截止频率，并对信号进行过采样操作。

18、可选地，所述模数转换电路实现65m、16位的模数转换，所述模数转换电路的输入端采用带宽为10mhz的差分rc滤波器进一步避免信号混叠，时钟由fpga输出，基准电压由内部提供，8条数字输出线通过上下沿同时采样，在一个周期传输16位数据。

19、可选地，所述电源模块通过正负输出电荷泵和线性稳压电源将所述fpga板的电压分别转换为模式切换模块、电压跟随器、单端转差分放大电路、可变增益放大电路、抗混叠滤波电路、模数转换电路所需的电源电压。

20、可选地，所述卡尔曼滤波模块对采集到的数字信号进行滤波，构建数据采集模型后，通过状态预测和状态更新两个步骤交替实现高斯噪声的滤除。

21、可选地，所述频率跟踪模块包括fft频率估计子模块、数字锁相环子模块；

22、所述fft频率估计子模块通过fft实现对信号频谱的分析，并找出信号幅值最大的频率点作为频率的粗略估计；

23、所述数字锁相环子模块以fft频率估计子模块的估计频率作为初始频率，包括鉴相器、环路滤波器、数控振荡器；所述鉴相器包括两路乘法器、两路低通滤波器和arctan计算模块，通过所述乘法器将数控振荡器生成的正弦、余弦信号与输入待测信号相乘，并通过所述低通滤波器滤除高频部分，并通过arctan计算得到相位；

24、所述环路滤波器在进一步滤波的同时，实现对环路的控制；所述数控振荡器为fpga中的实现的dds信号发生器，能够通过频率控制字控制输出正余弦信号的频率，并传递给乘法器作为反馈，并输出为内部参考信号。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，采用fpga控制的模式切换电路、兼容单端和差分信号输入的差分放大电路、两级可变增益放大电路，从而兼顾不同阻抗、不同耦合方式、不同幅值的情况，极大提高了电路的适用范围。

26、其次，本发明采用低输入噪声电流反馈型放大器、抗混叠滤波器，并可通过两级可变增益放大电路将大范围信号放大至模数转换器满量程，完全利用模数转换器的精度，从而减小数据采集电路中的量化噪声和其他各类噪声的影响。随后，通过fpga中实现的卡尔曼滤波模块进一步减小信号中的高斯噪声。通过以上各部分方案，极大地减小了数据采集中的噪声影响。

27、此外，本发明通过快速傅里叶变换和数字锁相环结合的频率跟踪模块，能够解决锁相放大器参考信号与待测信号频率匹配的问题，提升无外部参考信号、仅使用内部参考信号时的测量结果，进一步扩充常规锁相放大器的应用场景。

技术特征：

1.一种应用于数字锁相放大器的数据采集系统，其特征在于，包括依次连接的模式切换模块、电压跟随器、单端转差分放大电路、可变增益放大电路、抗混叠滤波电路、模数转换电路、电源模块、卡尔曼滤波模块和频率跟踪模块；

2.根据权利要求1所述的应用于数字锁相放大器的数据采集系统，其特征在于，所述模式切换模块包括输入阻抗切换电路和耦合方式切换电路，所述输入阻抗切换电路和所述耦合方式切换电路由mosfet进行驱动，通过继电器实现切换。

3.根据权利要求1所述的应用于数字锁相放大器的数据采集系统，其特征在于，所述电压跟随器设置于两路差分电路中，采用高输入阻抗和低输出阻抗设计，所述电压跟随器的输出端连接所述单端转差分放大电路。

4.根据权利要求1所述的应用于数字锁相放大器的数据采集系统，其特征在于，所述单端转差分放大电路包括增益切换机制，所述增益切换机制通过继电器实现，允许在预设的两个增益级别之间切换，以适应不同振幅的信号输入。

5.根据权利要求1所述的应用于数字锁相放大器的数据采集系统，其特征在于，所述可变增益放大电路优选采用可变增益放大器，通过切换输入电阻的方式实现-6db至26db的增益调节，调节步长为1db，所述增益调节通过spi接口实现，并通过继电器控制；

6.根据权利要求1所述的应用于数字锁相放大器的数据采集系统，其特征在于，所述抗混叠滤波电路具有10mhz的截止频率，并对信号进行过采样操作。

7.根据权利要求1所述的应用于数字锁相放大器的数据采集系统，其特征在于，所述模数转换电路实现65m、16位的模数转换，所述模数转换电路的输入端采用带宽为10mhz的差分rc滤波器进一步避免信号混叠，时钟由fpga输出，基准电压由内部提供，8条数字输出线通过上下沿同时采样，在一个周期传输16位数据。

8.根据权利要求1所述的应用于数字锁相放大器的数据采集系统，其特征在于，所述电源模块通过正负输出电荷泵和线性稳压电源将所述fpga板的电压分别转换为模式切换模块、电压跟随器、单端转差分放大电路、可变增益放大电路、抗混叠滤波电路、模数转换电路所需的电源电压。

9.根据权利要求1所述的应用于数字锁相放大器的数据采集系统，其特征在于，所述卡尔曼滤波模块对采集到的数字信号进行滤波，构建数据采集模型后，通过状态预测和状态更新两个步骤交替实现高斯噪声的滤除。

10.根据权利要求1所述的应用于数字锁相放大器的数据采集系统，其特征在于，所述频率跟踪模块包括fft频率估计子模块、数字锁相环子模块；

技术总结本发明提供了一种应用于数字锁相放大器的数据采集系统，包括依次连接的模式切换模块、电压跟随器、单端转差分放大电路、可变增益放大电路、抗混叠滤波电路、模数转换电路、电源模块、卡尔曼滤波模块和频率跟踪模块；本发明采用FPGA控制的模式切换模块、兼容单端和差分信号的差分放大电路、两级可变增益放大电路，兼顾不同电路情况，极大提高了电路的适用范围，采用低输入噪声电流反馈型放大器、抗混叠滤波器将大范围信号放大至模数转换器满量程，减小量化噪声和其他噪声的影响，随后通过卡尔曼滤波模块进一步减小高斯噪声，并通过快速傅里叶变换和数字锁相环结合的频率跟踪模块，解决锁相放大器参考信号与待测信号频率难以匹配的问题。技术研发人员：冯锐,胡杨,赖忠熠,王浩帆,李沛柔受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15