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计算机控制锁相放大器的设计与实现
本文中采用Lab Windows/CVI虚拟仪器软件开发平台和GPIB接口总线,实现了7265锁相放大器的虚拟仪器设计。　　
锁相放大器的GPIB接口,相对RS232串口传输速率更高,更可靠,而且不需要数据采集卡就可实现数据的实时采集和传输。设计中采用的GPIB卡是NI公司的USB型接口卡-GPIB-USB-HS,该接口卡体积小、重量轻,通信速率高,即插即用。GPIB—USB-HS接口卡将采集到的数据传输到PC机上,利用Lab Windows/CVI软件开发平台将采集到的数据进行处理,转化为可视化图形,并可实现数据的保存,便于数据的后续处理,极大地扩展了原有设备的功能。　　
本文中介绍了虚拟仪器和GPIB总线技术,根据技术原理设计方案,制定CVI程序流程并编写程序,完成设计要求,实现了基于GPIB接口总线的7265数字锁相放大器的虚拟仪器设计。本系统具有通用性和灵活性强等优点,易于推广到各种传统的GPIB仪器,从而构成由计算机控制的多功能智能仪器系统。
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万方数据电子出版社[发明专利]基于锁相放大器的衰减参数测量装置在审
申请/专利权人：
公开/公告号：CNA
发明/设计人：;;;;;;;;;
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【说明书】：
技术领域本发明涉及衰减参数测量领域。更具体地，涉及一种利用锁相放大器进行衰减参数测量的装置。背景技术微波无线电衰减在无线电领域中是一个非常重要和普及的参数，国内外都非常重视衰减参数标准的建立。目前广泛采用的衰减测量检定装置都需要一个高灵敏度的测量接收机，所以测量接收机是测试系统的关键部分，测量接收机用于处理接收到的中频信号，要求其动态范围大，线性度好。目前国际上衰减测量均采用串联低中频替代技术，而且都在较低的固定中频上进行替代，这样作为替代标准的衰减器容易做的很精密，其指示电路部分采用的是主中放/检波电路(采用各类检波器)和电压表电路组成。国际上新研制的测量接收机如RS公司的FSMR和安捷伦公司的N5531，其均为多参数的测量接收机，它们的工作原理均是在频谱分析仪的基础上通过软件来实现的，且价格昂贵在百万元以上，给计量机构带来很大的费用负担；对于国内，十一五期间国防二中心研制的同轴衰减标准也是采用串联低中频替代技术，利用感应分压器作为标准衰减器，接收端采用真有效值检波的方法把交流信号转换为直流信号，再由高位A/D转换器进行数据采样后通过数据传输到计算机并进行数据处理和显示。所有上述方法的缺点是对环境的要求非常高，在测量大衰减量时，周围的任何微小振动或电磁干扰以及地线噪声都有可能引起测量结果的很大波动，造成测量的准确度降低。而目前许多实验室的环境要求很难达到测试的不确定度要求。发明内容本发明的目的在于提供一种基于锁相放大器的衰减参数测量装置，解决在在恶劣的环境下如何提高衰减参数测量的准确度和稳定性。本发明通过采用锁相放大器作为中频接收和指示装置，使用相关检波的方法，从微弱信号中提取出有用信号，消除周围恶劣环境的噪声干扰对衰减测量的影响，从而提高衰减测量的准确度和稳定性。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：基于锁相放大器的衰减参数测量装置，该装置包括：射频信号源，用于产生射频信号；激励信号输入端，用于向被测衰减器输入射频激励信号；衰减信号输入端，用于将在激励信号的触发下被测衰减器发出的衰减信号输入测量装置；本振源，用于发出与所述衰减信号混合的本振信号；混频器，用于将本振信号与所述衰减信号混合，获得中频信号；程控步进标准衰减器，利用标准衰减器的改变量替代被测衰减器的衰减量，实现中频替代补偿，获得测试信号；锁相放大器，对测试信号进行数据采集和处理，获得被测衰减器的检定参数，并作为校准被测衰减器的校准参数。优选的，该装置进一步包括设置在射频源与激励信号输入端之间的第一隔离器；和设置在衰减信号输入端与混频器之间的第二隔离器。优选的，该装置进一步包括用于为本振源和射频源提供10MHz基准的频率基准器；优选的，该装置进一步包括用于为本振源和锁相放大器提供基准信号的函数发生器。优选的，该装置进一步设置在混频器和程控步进标准衰减器之间的低噪声预放大器。优选的，所述锁相放大器包括测试信号输入端；参考信号输入端；A/D转换器，用于将测试信号转化为数字信号；处理单元，基于参考信号对所述数字信号进行数字相关运算，获得与所述衰减信号的幅值和相位相关的第一相关信号和第二相关信号；计算模块，根据所述第一相关信号和第二相关信号，计算所述衰减信号的幅值R和相位θ值；计算结果输出端。优选的，所述锁相放大器进一步包括依次设置在所述测试信号输入端和A/D转换器之间的第一放大器、50Hz陷波器、100Hz陷波器和第二放大器。优选的，所述锁相放大器进一步包括设置在参考信号输入端和处理单元之间的锁相环。优选的，所述处理单元包括振荡器，基于参考信号产生时钟信号；移相器，对时钟信号进行移相处理，产生第一移相信号和第二移相信号；90°移相器，对第一移相信号进行90°移相处理，获得与第一移相信号正交的第三移相信号；第一鉴相器，基于测试信号和第三移相信号，产生第一相关信号；第二鉴相器，基于测试信号和第二移相信号，产生第二相关信号。优选的，所述处理单元进一步包括设置在第一鉴相器和计算模块之间的第一低通滤波器；设置在第二鉴相器和计算模块之间的第二低通滤波器。本发明的有益效果如下：通过采用射频串联和低中频串联替代相结合的方法对系统进行改进，引入锁相放大器相关检测的方法，使用锁相放大器作为中频接收装置，从微弱信号中提取出有用信号，消除周围环境的噪声干扰对衰减测量的影响。根据参考信号与测试信号相关而与噪声不相关的原理，锁相放大器采取相关检测技术，最大限度的压缩带宽、抑制噪声，使得系统的测量准确度和动态范围都有大幅提高，从而解决了在测量大衰减量过程中各类噪声的干扰问题。测量中还可采用了将程控标准衰减器应用在测量系统中，代替传统的感应分压器实现了完全的自动测量，提高了工作效率和人工读数引入的不确定度问题。附图说明下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。图1示出本发明所述基于锁相放大器的衰减参数测量装置的示意图；图2示出本发明所述锁相放大器的示意图；图3示出本发明所述锁相放大器实际测量的电压值的误差；图4示出本发明所述测量装置的衰减测试数据误差；附图标记：1、射频源，2、第一隔离器，3、被测衰减器，4、第二隔离器，5、混频器，6、低噪声预放大器，7、程控步进标准衰减器，8、锁相放大器，9、10MHz频率基准器，10、本振源，11、函数发生器；21、测试信号输入端，22、第一放大器，23、50Hz陷波器，24、100Hz陷波器，25、第二放大器，26、A/D转换器，27、第一低通滤波器，28、第一鉴相器，29、90°移相器，30、参考信号输入端，31、锁相环，32、振荡器，33、移相器，34、第二鉴相器，35、第二低通滤波器，36、R与θ计算模块，37、θ输出端，38、R输出端，39、FPGA；A1、激励信号输入端，A2、衰减信号输入端。具体实施方式为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。目前大部分国家的衰减测量都基于串联低中频替代法这一原理，对衰减参数进行测量后，作为被测衰减器的校准参数对被测衰减器进行校准，通过改变标准程控衰减器的衰减量替代被测衰减器的衰减量达到再次平衡。采用串联低中频替代法测量衰减准确度高且动态范围较大。为了进一步提高系统性能，本项目采用射频串联和低中频串联替代相结合的方法对系统进行改进，引入锁相放大器相关检测的方法，使用锁相放大器作为中频接收和指示装置。锁相放大器是根据参考信号与测试信号相关而与噪声不相关的原理，采用相关检测技术，最大限度的压缩带宽、抑制噪声，使得系统的测量稳定度和动态范围都有大幅提高。采用锁相放大器进行单通道串联低中频替代法原理框图如图1所示。在单通道衰减测量系统中，采用射频源、本振源和函数发生器共时基，其参考信号由函数发生器产生，测试系统结构简单，且由于不存在测试通道和参考通道的串扰问题，测量准确度更高。如图1所示，本发明公开了一种基于锁相放大器的衰减参数测量装置，该装置包括：激励信号输入端A1、衰减信号输入端A2、射频信号源1、混频器5、程控步进标准衰减器7、锁相放大器8和本振源10；射频源1发出射频信号利用激励信号输入端A1输入至被测衰减器3中，被测衰减器3对射频信号进行频谱迁移后输出衰减信号，该衰减信号利用衰减信号输入端A2输入至本发明所述测量装置中，所述衰减信号通过混频器5，混频器5将本振源10发出的本振信号与衰减信号混合，产生容易处理的中频信号，该中频信号经步进标准衰减器进行中频替代，实现中频替代补偿，获得测试信号，锁相放大器8对测试信号进行数据采集和处理，获得被测衰减器的检定参数，并作为校准被测衰减器的校准参数。本发明所述的测量装置为了更好的与被检测衰减器实现信号隔离，进一步在该装置中设置有在射频源与激励信号输入端之间的第一隔离器2和在衰减信号输入端与混频器之间的第二隔离器4。该装置进一步包括用于为本振源10和射频源1提供10MHz基准的频率基准器9；用于为本振源10和锁相放大器8提供基准信号的函数发生器11。该装置还包括设置在混频器5和程控步进标准衰减器7之间的低噪声预放大器6。
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当前位置：&>>&&>>&&>>&锁相放大器智能检测系统
　　1 概述
　　为了减少测量中手动操作锁相的烦琐过程，开发了智能检测系统。
　　该系统操作简单，可靠性高，界面友好，集信号产生、采集和处理于一身，可实现本地控制和远程控制，检测结束时可以在软件中直接输出物理量值。
　　2 硬件结构
　　该系统主要由主控制板、锁相放大器、信号产生、信号采集、信号处理、键盘、计算机通信单元和图形显示几大部分组成，操作简单。具体如图1所示。
　　用图标形式显示锁相放大器调试时的各项参数，如相位的调节、灵敏度、时常数等，各参数对于不同的模块具有不同的功能，具体如下所示：
　　（1）主控制单元
　　实现智能检测系统和计算机的通讯；
　　控制LCD对调试参数和步骤的显示；
　　控制信号产生、产生信号的幅度和频率；
　　控制信号采集，将采集到的数据保存到中，用于信号处理单元对信号的处理；
　　控制测试结果输出到和计算机；
　　实现计算机和键盘控制间的切换。
　　（2）图形显示模块
　　显示通过计算机或键盘对锁相放大器调试时的步骤；
　　显示产生信号的频率、幅度；
　　显示采集信号时所选择的采集通道及当前的采样率。
　　（3）DDS信号产生模块
　　产生不同频率和幅度的正弦波信号；
　　可以使用该信号作为参考信号或被测物体的激励信号；
　　产生的信号频率和幅度可以任意设置；
　　也可以将产生的信号直接送给放大器，做为系统自检信号。
　　（4）信号采集模块
　　采集锁相放大器输出的放大后的信号；
　　将采集的数据保存到系统存储器中；
　　采集信号的频率可以根据系统需要任意设置；
　　对放大器单路输出或多路输出都可以选择采集。
　　（5）开放式信号处理
　　对采集模块采集后保存到存储器的数据进行处理；
　　可以根据客户不同的使用环境写入不同的信号处理算法；
　　将数据处理后的结果送给主控制模块，然后将结果输出到计算机。
　　（6）键盘
　　实现本地控制，控制放大器各项参数的调节及其信号的产生、采集和处理。
　　（7）通信单元
　　通过RS-232/485口实现计算机和测试仪的通信，完成对测试仪的控制和数据显示及其处理
　　3 软件结构
　　锁相放大器软件可以在Win2000/XP下运行，界面友好，操作简单。可以实时的完成对锁相放大器各项参数的调节，将测试的物理量实时显示在界面并将最终结果保存到计算机中，方便用户的测试和记录。还可以将用户当前设置的参数保存成文件，在下次设置的时候直接调用该设置就可以将锁相放大器配置成和上次测试时同样的状态。 系统软件的功能模块组成如图2所示。
　　通过软件中各功能模块的设置，完成对整个系统的调试，这些操作既可以在计算机上面完成，也可以通过键盘完成，整个操作过程中的每个步骤都可以在显示模块中显示出来。软件中每个模块的功能如下。
　　（1）相位调节
　　相位调节的步进量为1.4°；
　　通过增加、减少按钮调节锁相放大器参考信号的相位；
　　调节的当前相位值实时显示在参数设置窗口中；
　　用户可以直接输入数值调节锁相放大器参考信号的相位。
　　（2）参数设置
　　对锁相放大器的时常数、灵敏度、TCSL和动态参数四个选项进行调节；
　　时常数可以在1“7之间任意选择；
　　灵敏度可以在l”7之间任意选择；
　　TCSL可以在l“7之间任意选择；
　　动态设置可以在0和1间进行选择。
　　（3）信号采集
　　对锁相放大器的输出通道进行选择；
　　设置对该通道采集时的采样率；
　　保存采集到的数据到计算机；
　　对采集到的数据进行处理，将处理结果实时显示在界面上。
　　（4）信号产生
　　产生不同频率和幅度的正弦波；
　　对产生信号的频率、幅度和偏置进行设置。
　　（5）远程控制
　　对放大器控制终端的选择；
　　当选择远程控制时，可以通过计算机实现对锁相放大器的所有控制；
　　选择本地控制时，可以通过键盘实现对锁相放大器的所有控制。
　　（6）自动调节
　　实现对锁相放大器相位的自动调节；
　　实现对锁相放大器灵敏度的自动调节；
　　实现对锁相放大器动态的自动调节；
　　每一种自动调节方式只需要用鼠标点击该按钮即可，大大方便了对锁相放大器的调节。
　　4 操作指南
　　在实际测量时，任何一个操作都应该谨慎、小心，系统操作和软件安装都应遵守该操作指南。具体操作步骤如下：
　　1）将系统附带光盘中的软件安装到计算机中。将光盘放人中，打开光盘，点击“SETUP”图标，根据提示步骤安装软件。软件安装完成后在您计算机的桌面上会产生一个“微弱信号智能检测系统”快捷方式。
　　2）用系统附件中的串口将该系统和计算机通过串口连接起来。
　　3）将参考信号和被测信号的电缆连接到参考输入端和被测信号输入端。
　　4）将信号输出端连接。以便观察锁相放大器的输出信号。
　　5）打开示波器。
　　6）根据系统提供的要求，将电源接入系统。
　　7）打开系统后面的电源按钮。检测系统前面板上面的电源指示灯是否显示正常。
　　8）当电源连接正常后，打开计算机桌面上面的软件，会看到对锁相放大器的所有设置和显示都在软件中。
　　9）用软件对锁相放大器进行设置。
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