专利名称：用于气体检测的数字锁相放大模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及数字电路，更具体地说，涉及ー种用于气体检测的数字锁相放大模块。
背景技术：
在信号检测系统中，微弱信号检测是其中重要的部分。微弱信号的检测现在已经在许多场合使用。例如，在科研(光学、电磁学、声学、生物医学等等)和实际生活生产领域(弱光、小位移、微振动、弱声及微电流等)当中。在现有技术中，锁相放大器是微弱信号检测的主要手段，其基本类似于一个带有放大功能的高Q值滤波器，但又不存在一般滤波器的中心频率漂移问题。其利用相关检测技术，极大地提高信噪比，能把淹没在噪声中的信号提取出来。锁相放大器按照其所帯有的锁相环的形式通常分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器。一般来讲，现有的锁相放大器的构成通常分为两种，一种是利用分立元件构建的，另外ー种是使用独立的专用集成电路。而使用分立元件构建的锁相放大器的性能较差，同时由于锁相放大器通常是与其他功能模块结合使用，因而使用专用的集成电路的锁相放大器对整个系统而言成本较高。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在干，针对现有技术的上述性能较差、系统成本较高的缺陷，提供ー种性能较好、系统成本低的用于气体检测的数字锁相放大模块。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是构造ー种用于气体检测的数字锁相放大模块，包括用于将输入信号与第一參考信号进行运算的第一信号转换单元、将输入信号与第二參考信号进行运算的第二信号转换单元、用于接收外部输入的參考信号并将所述參考信号转换为正交的第一參考信号和第二參考信号的參考信号产生单元和用于将所述第一信号转换单元和第二信号转换单元输出的输出信号进行矢量运算的矢量运算单元；所述第一信号转换单元、第二信号转换单元、參考信号产生单元和矢量运算单元设置与同一个可编程逻辑阵列器件中。在本实用新型所述的用于气体检测的数字锁相放大模块中，所述第一信号转换单元包括第一乘法器和第一低通滤波器，所述第一乘法器一个输入端接收所述输入信号，另一个输入端接收所述第一參考信号，其输出端与所述第一低通滤波器输入端连接，所述第一低通滤波器输出端连接到所述矢量运算单元的一个输入端。在本实用新型所述的用于气体检测的数字锁相放大模块中，所述第二信号转换单元包括第二乘法器和第二低通滤波器，所述第二乘法器一个输入端接收所述输入信号，另一个输入端接收所述第二參考信号，其输出端与所述第二低通滤波器输入端连接，所述第ニ低通滤波器输出端连接到所述矢量运算单元的另ー个输入端。在本实用新型所述的用于气体检测的数字锁相放大模块中，所述參考信号产生单元包括过零检测模块、锁相环和振荡器；所述过零检测模块输入端与外部提供的參考信号连接，其输出端与所述锁相环连接，所述锁相环还分别输出正交的第一參考信号和第二參考信号到所述第一乘法器和第二乘法器；所述振荡器与所述锁相环和所述矢量运算模块连接。在本 实用新型所述的用于气体检测的数字锁相放大模块中，所述锁相环包括鉴相器、数字环路滤波器、数字控制振荡器、分频器和直接数字频率合成器；所述鉴相器与所述过零检测模块输出端连接，还分别与所述分频器和数字环路滤波器连接；所述数字环路滤波器和所述分频器还分别与所述数字控制振荡器连接；所述数字控制振荡器还与所述直接数字频率合成器连接；所述直接数字频率合成器分别输出正交的第一參考信号和第二參考信号到所述第一乘法器和第二乘法器；所述数字频率合成器还与所述振荡器连接。在本实用新型所述的用于气体检测的数字锁相放大模块中，所述矢量运算单元为取得其两个输入信号矢量和的矢量和取得模块。在本实用新型所述的用于气体检测的数字锁相放大模块中，所述矢量和取得模块为实现矢量求和的可编程逻辑阵列器件中的软核NIOS II模块。实施本实用新型的用于气体检测的数字锁相放大模块，具有以下有益效果由于在构建用于气体检测的数字锁相放大模块时将其组成部分设置在可编程逻辑阵列中，不需要使用分离器件构成，精度较高，同时，对于系统而言，该可编程逻辑阵列可以用于实现系统的其他功能。因此，该锁相放大模块的性能较好、系统成本较低。
图I是本实用新型用于气体检测的数字锁相放大模块实施例中用于气体检测的数字锁相放大模块的结构示意图；图2是所述实施例中用于气体检测的数字锁相放大模块的进ー步的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型实施例作进ー步说明。如图I所示，在本实用新型的用于气体检测的数字锁相放大模块实施例中，该用于气体检测的数字锁相放大模块包括第一信号转换单元I、第二信号转换单元2、參考信号产生单元3和矢量运算单元4 ;其中，第一信号转换单元I用于将输入信号(需要处理的微弱信号)与第一參考信号进行运算，第二信号转换单元2用于将输入信号与第二參考信号进行运算，上述第一信号转换单元I和第二信号转换单元2的输入端是连接在一起的，都是输入上述的需要处理的微弱信号，该信号中包括了在后续步骤中有用的信息，用于气体检测的数字锁相放大模块的作用就是将其从其他信号中选择出来。在本实施例中，上述第一信号转换单元I和第二信号转换单元2在电路连接上而言，是并行的，其输入相接，其输出分别输送到矢量运算单元4 ;參考信号产生单元3用于接收外部输入的參考信号(该參考信号是由该用于气体检测的数字锁相放大模块外部输入的ー个周期性脉冲或时钟信号)并将该參考信号转换为正交的第一參考信号和第二參考信号，上述第一參考信号和第二參考信号分别输送到上述第一信号转换单元I和第二信号转换单元2与其输入信号进行运算；而矢量运算单元4用于将第一信号转换单元I和第二信号转换单元2输出的输出信号进行矢量运算。在本实施例中，上述第一信号转换单元I、第二信号转换单元2、參考信号产生单元3和矢量运算单元4设置与同一个可编程逻辑阵列(FPGA)器件中。图2示出了在本实施例中该用于气体检测的数字锁相放大模块的进ー步的结构。如图2所示，在本实施例中，第一信号转换单元I包括第一乘法器11和第一低通滤波器12，第二信号转换单兀2包括第二乘法器21和第二低通滤波器22 ;其中,第一乘法器11 ー个输入端连接该数字锁相放大器的输入端，接收外部输入的、需要处理的信号，其另ー个输入端连接上述參考信号产生单元3的ー个信号输出端，接收參考信号产生单元3输出的第一參考信号，第一乘法器11的输出端与第一低通滤波器12输入端连接，第一低通滤波器12输出端连接到矢量运算单元4的一个输入端。第二乘法器21 —个输入端接收上述外部输入的输入信号(即与第一乘法器11的接收输入信号的输入端连接)，另ー个输入端连接上述參考信号产生单元3的另ー个信号输出端，接收參考信号产生单元3输出的第二參考信号，第 ニ乘法器21的输出端与第二低通滤波器22输入端连接，第二低通滤波器22的输出端连接到矢量运算单元4的另ー个输入端。正如前面所述，第一參考信号和第二參考信号是正交的信号。如图2所示,在本实施例中，參考信号产生单元3包括过零检测模块31、锁相环32和振荡器33 ;其中，过零检测模块31的输入端与外部提供的參考信号(外部提供的连续周期性脉冲或时钟信号)连接，其输出端与锁相环32连接，锁相环32还分别输出正交的第一參考信号和第二參考信号到第一乘法器11和第二乘法器21 ;振荡器33与锁相环32和矢量运算模块4连接。更进一歩地，锁相环32包括鉴相器321、数字环路滤波器324、数字控制振荡器323、分频器322和直接数字频率合成器325 (请參见图2中虚线框部分);鉴相器321与过零检测模块31的输出端连接，还分别与分频器322和数字环路滤波器324连接；数字环路滤波器324和分频器322还分别与数字控制振荡器323连接；数字控制振荡器323还与直接数字频率合成器325连接；直接数字频率合成器325分别输出正交的第一參考信号和第二參考信号到第一乘法器11和第二乘法器21 ;数字频率合成器325还与振荡器33连接。在本实实施例中，矢量运算单元4为取得其两个输入信号矢量和的矢量和取得模块。更具体地，矢量和取得模块为实现矢量求和的可编程逻辑阵列器件中的软核NIOS II模块。NIOS II软核作用是对输出的直流信号矢量数据处理，给出測量所需信号，同时能随意改变内部振荡器的频率，达到提供内部參考信号的目的。NIOS II的运用对系统的扩展和维护的提高有着巨大优势。在本实施例中中运用FPGA内部软核Nios ii，有利于对软件算法硬件加速，扩展功能，减短开发周期。基本上而言，就硬件而言，在本实施例中该用于气体检测的数字锁相放大模块包括了硬件乘法器，过零检测模块(Zero-crossing Detector),全数字锁相环(ADPLL,其中包括鉴相位Phase Detector,数字环路滤波器Digital Loop Filter, DCO数字控制振荡器，Frequency Divider分频器，直接数字频率合成器DDS),内部震荡模块InternalOscillator,数字低通滤波器 Low Pass Filter, Nios ii 处理器。从信号流程而言，本实施例中的用于气体检测的数字锁相放大模块的一路是待处理信号通道，待处理信号通过用于气体检测的数字锁相放大模块外部的A/D转换变成数字信号进入FGPA的两个数字乘法器，等待进ー步处理；另一路是參考信号通道，參考信号是外接周期性信号(在其他实施例中，也可以由通过内部參考DDS发生)。參考信号经过用于气体检测的数字锁相放大模块外部的A/D转化变成数字信号，会首先通过过零检测模块(Zero-crossing Detector),该模块实现的是最简单的数字信号过零检测功能,这是为了防止噪声触发了过零检测，还可以设置触发电压，满足实际需求。信号从过零检测模块出来，进入锁相放大模块中非常重要的锁相环。该锁相环主要的功能是锁住參考信号，提供同频或N倍频信号，以供检测N次谐波需要。其中，鉴相器(Phase Detector)主要功能是鉴别外部參考信号与N分频信号之相位差，由边缘触发门级电路组合而成；相位差信号随后通过数字环路滤波器(Digital Loop Fil ter )滤去ー些高频分量,通过数字加减计数器实现；数字控制振荡器(DCO)受到环路滤波器输出信号的控制，产生N倍频脉冲信号，并通过分频器，为鉴相器提供N分频信号。最后进入直接数字频率合成器(DDS)，直接数字频率合成器主要功能是根据数字控制振荡器给出的N倍频信号，通过LUT输出两路正交数字正弦信号。DDS输出的两路正交数字正弦信号，分别与两路待测信号在硬件乘法器中作乘法，出来的两路积信号，此处通过简单的数字低通滤波器LPF以便系统有较好的运算速度，得出直流信号，等待软件处理。综上所述，在本实施例中，该用于气体检测的数字锁相放大模块基于FPGA，主要用于光学方法气体检测中，能从噪声中提取出人们需要的微弱光强信号，如基频信号与二次谐波这些带有气体浓度信息的信号。这样使得该用于气体检测的数字锁相放大模块不需考虑处理精确的相位信息，同时只需一些低次的谐波信号，简化了设计和缩短开发周期，利用基于高精度的数字设计，解除了一些模拟器件带来的限制，也提高了运算速度，而且使器件小型化与智能化，进ー步减低了系统成本。以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求1.ー种用于气体检测的数字锁相放大模块，其特征在干，包括用于将输入信号与第一參考信号进行运算的第一信号转换单元、将输入信号与第二參考信号进行运算的第二信号转换单元、用于接收外部输入的參考信号并将所述參考信号转换为正交的第一參考信号和第二參考信号的參考信号产生单元和用于将所述第一信号转换单元和第二信号转换单元输出的输出信号进行矢量运算的矢量运算单元；所述第一信号转换单元、第二信号转换单元、參考信号产生单元和矢量运算单元设置与同一个可编程逻辑阵列器件中。
2.根据权利要求I所述的用于气体检测的数字锁相放大模块，其特征在于，所述第一信号转换单元包括第一乘法器和第一低通滤波器，所述第一乘法器一个输入端接收所述输入信号，另ー个输入端接收所述第一參考信号，其输出端与所述第一低通滤波器输入端连接，所述第一低通滤波器输出端连接到所述矢量运算单元的一个输入端。
3.根据权利要求2所述的用于气体检测的数字锁相放大模块，其特征在于，所述第二信号转换单元包括第二乘法器和第二低通滤波器，所述第二乘法器一个输入端接收所述输入信号，另ー个输入端接收所述第二參考信号，其输出端与所述第二低通滤波器输入端连接，所述第二低通滤波器输出端连接到所述矢量运算单元的另ー个输入端。
4.根据权利要求3所述的用于气体检测的数字锁相放大模块，其特征在于，所述參考信号产生单元包括过零检测模块、锁相环和振荡器；所述过零检测模块输入端与外部提供的參考信号连接，其输出端与所述锁相环连接，所述锁相环还分别输出正交的第一參考信号和第二參考信号到所述第一乘法器和第二乘法器；所述振荡器与所述锁相环和所述矢量运算模块连接。
5.根据权利要求4所述的用于气体检测的数字锁相放大模块，其特征在干，所述锁相环包括鉴相器、数字环路滤波器、数字控制振荡器、分频器和直接数字频率合成器；所述鉴相器与所述过零检测模块输出端连接，还分别与所述分频器和数字环路滤波器连接；所述数字环路滤波器和所述分频器还分别与所述数字控制振荡器连接；所述数字控制振荡器还与所述直接数字频率合成器连接；所述直接数字频率合成器分别输出正交的第一參考信号和第二參考信号到所述第一乘法器和第二乘法器；所述数字频率合成器还与所述振荡器连接。
6.根据权利要求5所述的用于气体检测的数字锁相放大模块，其特征在于，所述矢量运算单元为取得其两个输入信号矢量和的矢量和取得模块。
7.根据权利要求6所述的用于气体检测的数字锁相放大模块，其特征在于，所述矢量和取得模块为实现矢量求和的可编程逻辑阵列器件中的软核NIOS II模块。
专利摘要本实用新型涉及一种用于气体检测的数字锁相放大模块，包括用于将输入信号与第一参考信号进行运算的第一信号转换单元、将输入信号与第二参考信号进行运算的第二信号转换单元、用于接收外部输入的参考信号并将所述参考信号转换为正交的第一参考信号和第二参考信号的参考信号产生单元和用于将所述第一信号转换单元和第二信号转换单元输出的输出信号进行矢量运算的矢量运算单元；所述第一信号转换单元、第二信号转换单元、参考信号产生单元和矢量运算单元设置与同一个可编程逻辑阵列器件中。实施本实用新型的用于气体检测的数字锁相放大模块，具有以下有益效果该锁相放大模块的性能较好、系统成本较低。
文档编号H03F7/00GK202424632SQ20112034798
公开日2012年9月5日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者曹志, 陈子聪, 高致慧, 黄必昌 申请人:深圳大学, 高致慧