專利名稱：用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及數(shù)字電路，更具體地說，涉及ー種用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊。
背景技術(shù)：
在信號(hào)檢測系統(tǒng)中，微弱信號(hào)檢測是其中重要的部分。微弱信號(hào)的檢測現(xiàn)在已經(jīng)在許多場合使用。例如，在科研(光學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等等)和實(shí)際生活生產(chǎn)領(lǐng)域(弱光、小位移、微振動(dòng)、弱聲及微電流等)當(dāng)中。在現(xiàn)有技術(shù)中，鎖相放大器是微弱信號(hào)檢測的主要手段，其基本類似于一個(gè)帶有放大功能的高Q值濾波器，但又不存在一般濾波器的中心頻率漂移問題。其利用相關(guān)檢測技術(shù)，極大地提高信噪比，能把淹沒在噪聲中的信號(hào)提取出來。鎖相放大器按照其所帯有的鎖相環(huán)的形式通常分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器。一般來講，現(xiàn)有的鎖相放大器的構(gòu)成通常分為兩種，一種是利用分立元件構(gòu)建的，另外ー種是使用獨(dú)立的專用集成電路。而使用分立元件構(gòu)建的鎖相放大器的性能較差，同時(shí)由于鎖相放大器通常是與其他功能模塊結(jié)合使用，因而使用專用的集成電路的鎖相放大器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言成本較高。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在干，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述性能較差、系統(tǒng)成本較高的缺陷，提供ー種性能較好、系統(tǒng)成本低的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造ー種用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊，包括用于將輸入信號(hào)與第一參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算的第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、將輸入信號(hào)與第二參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算的第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、用于接收外部輸入的參考信號(hào)并將所述參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為正交的第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)的參考信號(hào)產(chǎn)生單元和用于將所述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元和第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元輸出的輸出信號(hào)進(jìn)行矢量運(yùn)算的矢量運(yùn)算單元；所述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、參考信號(hào)產(chǎn)生單元和矢量運(yùn)算單元設(shè)置與同一個(gè)可編程邏輯陣列器件中。在本實(shí)用新型所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊中，所述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元包括第一乘法器和第一低通濾波器，所述第一乘法器一個(gè)輸入端接收所述輸入信號(hào)，另一個(gè)輸入端接收所述第一參考信號(hào)，其輸出端與所述第一低通濾波器輸入端連接，所述第一低通濾波器輸出端連接到所述矢量運(yùn)算單元的一個(gè)輸入端。在本實(shí)用新型所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊中，所述第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元包括第二乘法器和第二低通濾波器，所述第二乘法器一個(gè)輸入端接收所述輸入信號(hào)，另一個(gè)輸入端接收所述第二參考信號(hào)，其輸出端與所述第二低通濾波器輸入端連接，所述第ニ低通濾波器輸出端連接到所述矢量運(yùn)算單元的另ー個(gè)輸入端。在本實(shí)用新型所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊中，所述參考信號(hào)產(chǎn)生單元包括過零檢測模塊、鎖相環(huán)和振蕩器；所述過零檢測模塊輸入端與外部提供的參考信號(hào)連接，其輸出端與所述鎖相環(huán)連接，所述鎖相環(huán)還分別輸出正交的第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)到所述第一乘法器和第二乘法器；所述振蕩器與所述鎖相環(huán)和所述矢量運(yùn)算模塊連接。在本 實(shí)用新型所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊中，所述鎖相環(huán)包括鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器、數(shù)字控制振蕩器、分頻器和直接數(shù)字頻率合成器；所述鑒相器與所述過零檢測模塊輸出端連接，還分別與所述分頻器和數(shù)字環(huán)路濾波器連接；所述數(shù)字環(huán)路濾波器和所述分頻器還分別與所述數(shù)字控制振蕩器連接；所述數(shù)字控制振蕩器還與所述直接數(shù)字頻率合成器連接；所述直接數(shù)字頻率合成器分別輸出正交的第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)到所述第一乘法器和第二乘法器；所述數(shù)字頻率合成器還與所述振蕩器連接。在本實(shí)用新型所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊中，所述矢量運(yùn)算單元為取得其兩個(gè)輸入信號(hào)矢量和的矢量和取得模塊。在本實(shí)用新型所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊中，所述矢量和取得模塊為實(shí)現(xiàn)矢量求和的可編程邏輯陣列器件中的軟核NIOS II模塊。實(shí)施本實(shí)用新型的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊，具有以下有益效果由于在構(gòu)建用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊時(shí)將其組成部分設(shè)置在可編程邏輯陣列中，不需要使用分離器件構(gòu)成，精度較高，同時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)而言，該可編程邏輯陣列可以用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的其他功能。因此，該鎖相放大模塊的性能較好、系統(tǒng)成本較低。

圖I是本實(shí)用新型用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊實(shí)施例中用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是所述實(shí)施例中用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊的進(jìn)ー步的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例作進(jìn)ー步說明。如圖I所示，在本實(shí)用新型的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊實(shí)施例中，該用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊包括第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元I、第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元2、參考信號(hào)產(chǎn)生單元3和矢量運(yùn)算單元4 ;其中，第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元I用于將輸入信號(hào)(需要處理的微弱信號(hào))與第一參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元2用于將輸入信號(hào)與第二參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，上述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元I和第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元2的輸入端是連接在一起的，都是輸入上述的需要處理的微弱信號(hào)，該信號(hào)中包括了在后續(xù)步驟中有用的信息，用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊的作用就是將其從其他信號(hào)中選擇出來。在本實(shí)施例中，上述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元I和第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元2在電路連接上而言，是并行的，其輸入相接，其輸出分別輸送到矢量運(yùn)算單元4 ;參考信號(hào)產(chǎn)生單元3用于接收外部輸入的參考信號(hào)(該參考信號(hào)是由該用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊外部輸入的ー個(gè)周期性脈沖或時(shí)鐘信號(hào))并將該參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為正交的第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)，上述第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)分別輸送到上述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元I和第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元2與其輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算；而矢量運(yùn)算單元4用于將第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元I和第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元2輸出的輸出信號(hào)進(jìn)行矢量運(yùn)算。在本實(shí)施例中，上述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元I、第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元2、參考信號(hào)產(chǎn)生單元3和矢量運(yùn)算單元4設(shè)置與同一個(gè)可編程邏輯陣列(FPGA)器件中。圖2示出了在本實(shí)施例中該用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊的進(jìn)ー步的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，在本實(shí)施例中，第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元I包括第一乘法器11和第一低通濾波器12，第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單兀2包括第二乘法器21和第二低通濾波器22 ;其中,第一乘法器11 ー個(gè)輸入端連接該數(shù)字鎖相放大器的輸入端，接收外部輸入的、需要處理的信號(hào)，其另ー個(gè)輸入端連接上述參考信號(hào)產(chǎn)生單元3的ー個(gè)信號(hào)輸出端，接收參考信號(hào)產(chǎn)生單元3輸出的第一參考信號(hào)，第一乘法器11的輸出端與第一低通濾波器12輸入端連接，第一低通濾波器12輸出端連接到矢量運(yùn)算單元4的一個(gè)輸入端。第二乘法器21 —個(gè)輸入端接收上述外部輸入的輸入信號(hào)(即與第一乘法器11的接收輸入信號(hào)的輸入端連接)，另ー個(gè)輸入端連接上述參考信號(hào)產(chǎn)生單元3的另ー個(gè)信號(hào)輸出端，接收參考信號(hào)產(chǎn)生單元3輸出的第二參考信號(hào)，第 ニ乘法器21的輸出端與第二低通濾波器22輸入端連接，第二低通濾波器22的輸出端連接到矢量運(yùn)算單元4的另ー個(gè)輸入端。正如前面所述，第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)是正交的信號(hào)。如圖2所示,在本實(shí)施例中，參考信號(hào)產(chǎn)生單元3包括過零檢測模塊31、鎖相環(huán)32和振蕩器33 ;其中，過零檢測模塊31的輸入端與外部提供的參考信號(hào)(外部提供的連續(xù)周期性脈沖或時(shí)鐘信號(hào))連接，其輸出端與鎖相環(huán)32連接，鎖相環(huán)32還分別輸出正交的第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)到第一乘法器11和第二乘法器21 ;振蕩器33與鎖相環(huán)32和矢量運(yùn)算模塊4連接。更進(jìn)一歩地，鎖相環(huán)32包括鑒相器321、數(shù)字環(huán)路濾波器324、數(shù)字控制振蕩器323、分頻器322和直接數(shù)字頻率合成器325 (請(qǐng)參見圖2中虛線框部分);鑒相器321與過零檢測模塊31的輸出端連接，還分別與分頻器322和數(shù)字環(huán)路濾波器324連接；數(shù)字環(huán)路濾波器324和分頻器322還分別與數(shù)字控制振蕩器323連接；數(shù)字控制振蕩器323還與直接數(shù)字頻率合成器325連接；直接數(shù)字頻率合成器325分別輸出正交的第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)到第一乘法器11和第二乘法器21 ;數(shù)字頻率合成器325還與振蕩器33連接。在本實(shí)實(shí)施例中，矢量運(yùn)算單元4為取得其兩個(gè)輸入信號(hào)矢量和的矢量和取得模塊。更具體地，矢量和取得模塊為實(shí)現(xiàn)矢量求和的可編程邏輯陣列器件中的軟核NIOS II模塊。NIOS II軟核作用是對(duì)輸出的直流信號(hào)矢量數(shù)據(jù)處理，給出測量所需信號(hào)，同時(shí)能隨意改變內(nèi)部振蕩器的頻率，達(dá)到提供內(nèi)部參考信號(hào)的目的。NIOS II的運(yùn)用對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)的提高有著巨大優(yōu)勢。在本實(shí)施例中中運(yùn)用FPGA內(nèi)部軟核Nios ii，有利于對(duì)軟件算法硬件加速，擴(kuò)展功能，減短開發(fā)周期?；旧隙裕陀布?，在本實(shí)施例中該用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊包括了硬件乘法器，過零檢測模塊(Zero-crossing Detector),全數(shù)字鎖相環(huán)(ADPLL,其中包括鑒相位Phase Detector,數(shù)字環(huán)路濾波器Digital Loop Filter, DCO數(shù)字控制振蕩器，F(xiàn)requency Divider分頻器，直接數(shù)字頻率合成器DDS),內(nèi)部震蕩模塊InternalOscillator,數(shù)字低通濾波器 Low Pass Filter, Nios ii 處理器。從信號(hào)流程而言，本實(shí)施例中的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊的一路是待處理信號(hào)通道，待處理信號(hào)通過用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊外部的A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FGPA的兩個(gè)數(shù)字乘法器，等待進(jìn)ー步處理；另一路是參考信號(hào)通道，參考信號(hào)是外接周期性信號(hào)(在其他實(shí)施例中，也可以由通過內(nèi)部參考DDS發(fā)生)。參考信號(hào)經(jīng)過用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊外部的A/D轉(zhuǎn)化變成數(shù)字信號(hào)，會(huì)首先通過過零檢測模塊(Zero-crossing Detector),該模塊實(shí)現(xiàn)的是最簡單的數(shù)字信號(hào)過零檢測功能,這是為了防止噪聲觸發(fā)了過零檢測，還可以設(shè)置觸發(fā)電壓，滿足實(shí)際需求。信號(hào)從過零檢測模塊出來，進(jìn)入鎖相放大模塊中非常重要的鎖相環(huán)。該鎖相環(huán)主要的功能是鎖住參考信號(hào)，提供同頻或N倍頻信號(hào)，以供檢測N次諧波需要。其中，鑒相器(Phase Detector)主要功能是鑒別外部參考信號(hào)與N分頻信號(hào)之相位差，由邊緣觸發(fā)門級(jí)電路組合而成；相位差信號(hào)隨后通過數(shù)字環(huán)路濾波器(Digital Loop Fil ter )濾去ー些高頻分量,通過數(shù)字加減計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)；數(shù)字控制振蕩器(DCO)受到環(huán)路濾波器輸出信號(hào)的控制，產(chǎn)生N倍頻脈沖信號(hào)，并通過分頻器，為鑒相器提供N分頻信號(hào)。最后進(jìn)入直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，直接數(shù)字頻率合成器主要功能是根據(jù)數(shù)字控制振蕩器給出的N倍頻信號(hào)，通過LUT輸出兩路正交數(shù)字正弦信號(hào)。DDS輸出的兩路正交數(shù)字正弦信號(hào)，分別與兩路待測信號(hào)在硬件乘法器中作乘法，出來的兩路積信號(hào)，此處通過簡單的數(shù)字低通濾波器LPF以便系統(tǒng)有較好的運(yùn)算速度，得出直流信號(hào)，等待軟件處理。綜上所述，在本實(shí)施例中，該用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊基于FPGA，主要用于光學(xué)方法氣體檢測中，能從噪聲中提取出人們需要的微弱光強(qiáng)信號(hào)，如基頻信號(hào)與二次諧波這些帶有氣體濃度信息的信號(hào)。這樣使得該用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊不需考慮處理精確的相位信息，同時(shí)只需一些低次的諧波信號(hào)，簡化了設(shè)計(jì)和縮短開發(fā)周期，利用基于高精度的數(shù)字設(shè)計(jì)，解除了一些模擬器件帶來的限制，也提高了運(yùn)算速度，而且使器件小型化與智能化，進(jìn)ー步減低了系統(tǒng)成本。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本實(shí)用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。因此，本實(shí)用新型專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.ー種用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊，其特征在干，包括用于將輸入信號(hào)與第一參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算的第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、將輸入信號(hào)與第二參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算的第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、用于接收外部輸入的參考信號(hào)并將所述參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為正交的第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)的參考信號(hào)產(chǎn)生單元和用于將所述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元和第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元輸出的輸出信號(hào)進(jìn)行矢量運(yùn)算的矢量運(yùn)算單元；所述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、參考信號(hào)產(chǎn)生單元和矢量運(yùn)算單元設(shè)置與同一個(gè)可編程邏輯陣列器件中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊，其特征在于，所述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元包括第一乘法器和第一低通濾波器，所述第一乘法器一個(gè)輸入端接收所述輸入信號(hào)，另ー個(gè)輸入端接收所述第一參考信號(hào)，其輸出端與所述第一低通濾波器輸入端連接，所述第一低通濾波器輸出端連接到所述矢量運(yùn)算單元的一個(gè)輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊，其特征在于，所述第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元包括第二乘法器和第二低通濾波器，所述第二乘法器一個(gè)輸入端接收所述輸入信號(hào)，另ー個(gè)輸入端接收所述第二參考信號(hào)，其輸出端與所述第二低通濾波器輸入端連接，所述第二低通濾波器輸出端連接到所述矢量運(yùn)算單元的另ー個(gè)輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊，其特征在于，所述參考信號(hào)產(chǎn)生單元包括過零檢測模塊、鎖相環(huán)和振蕩器；所述過零檢測模塊輸入端與外部提供的參考信號(hào)連接，其輸出端與所述鎖相環(huán)連接，所述鎖相環(huán)還分別輸出正交的第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)到所述第一乘法器和第二乘法器；所述振蕩器與所述鎖相環(huán)和所述矢量運(yùn)算模塊連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊，其特征在干，所述鎖相環(huán)包括鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器、數(shù)字控制振蕩器、分頻器和直接數(shù)字頻率合成器；所述鑒相器與所述過零檢測模塊輸出端連接，還分別與所述分頻器和數(shù)字環(huán)路濾波器連接；所述數(shù)字環(huán)路濾波器和所述分頻器還分別與所述數(shù)字控制振蕩器連接；所述數(shù)字控制振蕩器還與所述直接數(shù)字頻率合成器連接；所述直接數(shù)字頻率合成器分別輸出正交的第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)到所述第一乘法器和第二乘法器；所述數(shù)字頻率合成器還與所述振蕩器連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊，其特征在于，所述矢量運(yùn)算單元為取得其兩個(gè)輸入信號(hào)矢量和的矢量和取得模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊，其特征在于，所述矢量和取得模塊為實(shí)現(xiàn)矢量求和的可編程邏輯陣列器件中的軟核NIOS II模塊。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊，包括用于將輸入信號(hào)與第一參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算的第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、將輸入信號(hào)與第二參考信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算的第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、用于接收外部輸入的參考信號(hào)并將所述參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為正交的第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)的參考信號(hào)產(chǎn)生單元和用于將所述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元和第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元輸出的輸出信號(hào)進(jìn)行矢量運(yùn)算的矢量運(yùn)算單元；所述第一信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、第二信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、參考信號(hào)產(chǎn)生單元和矢量運(yùn)算單元設(shè)置與同一個(gè)可編程邏輯陣列器件中。實(shí)施本實(shí)用新型的用于氣體檢測的數(shù)字鎖相放大模塊，具有以下有益效果該鎖相放大模塊的性能較好、系統(tǒng)成本較低。
文檔編號(hào)H03F7/00GK202424632SQ20112034798
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者曹志, 陳子聰, 高致慧, 黃必昌 申請(qǐng)人:深圳大學(xué), 高致慧