基于压频转换的相敏检波器

刘文杰, 李宝华

(吉林大学 电子科学与工程学院, 长春130012)

0 引 言

随着科学技术的发展, 微弱信号检测电路应用非常广泛[1-4], 相敏检波是弱信号检测的有效手段[5-7]。锁相放大器是相敏检波电路在微弱信号检测上的实际应用[8-11], 分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器。模拟锁相放大器是通过模拟乘法器和低通滤波器实现相敏检波, 对模拟电路的要求较高, 不便于实现; 数字锁相放大器将模拟信号数字化后进行相敏检波, 但需要高速高精度的模数转换模块, 成本较高。

笔者采用准数字的方法, 基于压频转换实现相敏检波。 通过压频转换电路, 将被测模拟信号线性转换成频率信号, 利用单片机依照参考信号对频率信号进行计数和数字滤波[12-15], 得到被测信号值。 整个系统结构简单, 成本低, 可靠性高, 便于实现。

1 相敏检波原理

1.1 基本相敏检波

相敏检测的原理如图1 所示, 由1 个模拟乘法器和低通滤波器组成。 相敏检测是一种相关检测方法, 其原理是将输入到检测设备的有用信号s(t)和噪声n(t)的叠加与已知参考信号y(t)相乘后求积分, 结果为

由于y(t) 与s(t) 相关, 与n(t) 不相关, 所以Rny(τ)= 0, 式(1) 中仅剩Rsy(τ)。 相关检测的原理是利用已知信号与被测信号的相关关系检测待测信号。

设被测信号为x(t)=Vscos(ω0+θ),参考信号为方波r(t), 其幅度为Vr, 角频率ω0。 根据傅里叶分析方法可知

图1 基本相敏检波原理图Fig.1 Schematic diagram of baic phase sensitive detector

经低通滤波后, 滤除所有交流分量, 仅剩直流分量输出, 即

相位差θ=0 时(即被测信号和参考信号同频同相时), 该输出信号最大。

由于参考信号已知, 即可根据输出uo(t)得到被测信号的幅值

1.2 基于压频转换的相敏检波

基于压频转换的相敏检波器的原理如图2 所示, 由一个压频转换电路和一个计数器及数字滤波器组成。 压频转换电路将被测信号幅值转换为信号的频率值, 转换后的频率信号送入计数器。 计数器在参考信号的作用下对该频率信号进行计数, 再通过数字滤波器进行滤波, 便可得到被测信号的幅值。

图2 基于压频转换的相敏检波原理图Fig.2 Schematic diagram of phase sensitive detector based on voltage frequency conversion

由于压频转换电路是将被测信号的幅值转换成信号的频率值, 需要被测信号为正信号, 所以在被测信号上叠加直流偏置VT。 系统的具体实现原理如图3 所示。Vin为被测信号,Vref为与被测信号同频同相的参考信号,S0为直流偏置VT半周的面积,S1为被测信号Vin半周的面积。 系统要检测被测信号值, 即为计算图示面积S=2S1。 通过压频转换电路将被测模拟电压信号Vin转换为频率信号, 面积转换为计数值。 从而将计算面积的积分运算转换为计数运算。

具体实现过程: 设正半轴内的计数值为CH, 负半轴的计数值为CL, 正、 负半周面积SH=S0+S1、SL=S0-S1,CH-CL=SH-SL=(S0+S1)-(S0-S1)= 2S1=S, 根据计数值便可得到面积, 由于面积和信号成比例, 从而得到信号值。

图3 系统实现原理示意图Fig.3 Schematic diagram of system implementation

2 硬件电路

系统电路原理图如图4 所示。 压频转换电路被测信号幅值转换为频率信号的频率值, 选用芯片VFC32, 主控芯片实现计数和数字滤波, 选用51 系列单片机STC12C5A60S2。 被测信号通过VFC32 的引脚14 输入, 输出的频率信号通过引脚7 输出后连接到单片机的引脚P3.3。 参考信号通过单片机的引脚P1.0 和P3.2 输入。

图4 硬件电路原理图Fig.4 Schematic diagram of hardware circuit

3 软件算法

系统整体软件流程图如图5 所示。 图5a 为主程序流程图, 图5b 为外部中断INT0 服务子函数流程图, 图5c 为外部中断INT1 服务子函数流程图。 主程序初始化, 循环检测是否发生数据读取, 当有数据读取时将数据进行均值滤波后输出。 外部中断INT0 的触发信号为参考信号, 在中断服务子程序内执行数据读取;外部中断1 的触发信号为经压频转换后的频率信号, 在中断服务子程序内进行计数, 当参考信号为高电平时进行加法计数, 参考信号为低电平时进行减法计数。

图5 软件流程图Fig.5 Flow chart

4 实验结果与分析

选取频率为10 Hz 的正弦波进行相敏原理验证实验及系统方案验证实验, 并对实验数据进行分析。实验的系统框图如图6 所示。 信号发生器DG1022 生成被测信号和参考信号。 被测信号输入压频转换电路后, 输出的频率信号输入单片机。 参考信号直接输入单片机, 单片机根据参考信号对频率信号进行计数和数字滤波后, 输出信号通过串口发送至PC 机, 在PC 机上观察输出结果。

4.1 原理验证实验

输入信号幅值为3 V, 在输入信号和参考信号相位差为-90° ～90°间进行分组实验, 得到实验数据如表1 所示。

表1 输出数值与相位差关系实验数据Tab.1 The relationship between output value and phase difference

根据实验数据绘制输出数值与相位差关系绘制输出数值与输入电压关系曲线如图7 所示。 根据图7可知, 输出数值与相位差近似成余弦函数关系, 这与相敏检波原理分析得到的公式(4)相符合, 从而在原理上验证了该方案的正确性。

图7 输出数值与相位差关系Fig.7 Relationship between output value and phase difference

图6 实验系统框图Fig.6 Block diagram of experimental system

4.2 方案验证实验

输入信号与参考信号同频同相, 输入信号幅值在0 ～5 V 间进行分组实验, 得到实验数据如表2所示。

根据实验数据绘制输出数值与输入电压关系曲线如图8 所示。 图8 中实线为实际测量数据曲线, 虚线为数据拟合曲线。 由图8 拟合曲线得到输出数值y与输入电压x的关系为y= 276.22x+30.66, 呈线性关系, 从而验证了此方案的可行性。

分析实验数据得到系统的相对误差与输入电压的关系如图9 所示。 由图9 可以看出, 系统整体相对误差较小。 由于该方法采用51 单片机的外部中断进行测量, 而单片机的中断响应需要响应时间, 造成误差, 尤其在输入电压幅值较小时, 其相对误差较大。

表2 输出数值与输入电压关系实验数据Tab.2 The relationship between output value and input voltage

图8 输出数值与输入电压关系Fig.8 Relationship between output value and input voltage

5 结 语

图9 相对误差与输入电压关系Fig.9 Relationship between relative error and input voltage

笔者提出了一种基于压频转换电路实现相敏检波的微弱信号检测方法。 分析了相关检测原理, 完成了系统的软硬件实现, 进行了验证实验及误差分析, 结果验证了该方法的可行性。 由于单片机中断响应造成的误差, 后续可以改用FPGA 实现, 减小误差, 使系统的整体性能得到大幅提升。 整个系统性能上具有测量动态范围大、 检测灵敏度高、 线性度好等优点, 同时模块小, 成本低, 具有良好的应用价值。