一种易于调节的模拟锁相环控制电路 |
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| 申请号 | CN202311832654.6 | 申请日 | 2023-12-28 | 公开(公告)号 | CN117811575A | 公开(公告)日 | 2024-04-02 |
| 申请人 | 中国计量大学; | 发明人 | 张亮亮; 夏志刚; 张晶晶; | ||||
| 摘要 | 一种易于调节的模拟 锁 相环控制 电路 ，包括数字主控单元、隔离电路、数字控制的模拟比例电路、鉴相电路、低通滤波电路和压控 振荡器 电路，所述的数字控制的模拟比例电路用于对低通滤波电路输出的模拟 信号 进行线性放大或缩小，所述的数字主控单元用于对数字控制的模拟比例电路的放大倍数的大小进行调控，所述鉴相电路用于比较 输入信号 与压控振荡器 输出信号 的 相位 差，并产生对应于两信号 相位差 的 电压 信号，所述压控振荡器电路用于控制输出信号的 频率 。本 发明 的优点：在不改变电路元器件参数的情况下，非常容易实现具有任何谐振频率的 力 传感器 的 锁相环 检测器，其调节速度更快、准确性更高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种易于调节的模拟锁相环控制电路，其特征在于，包括数字主控单元、隔离电路、数字控制的模拟比例电路、鉴相电路、低通滤波电路和压控振荡器电路，所述的数字控制的模拟比例电路包括乘法型数模转换器和乘法型数模转换器的驱动电路，用于对低通滤波电路输出的模拟信号进行线性放大或缩小，所述的数字主控单元用于对数字控制的模拟比例电路的放大倍数的大小进行调控，所述的隔离电路用于将数字主控单元输出的数字控制信号转换为相应的模拟信号并且隔离数字电路和模拟电路，所述鉴相电路用于比较输入信号与压控振荡器输出信号的相位差，并产生对应于两信号相位差的电压信号，所述低通滤波电路用于滤除鉴相电路输出的噪声，所述压控振荡器电路包括压控振荡器和压控振荡器的驱动电路，用于控制输出信号的频率，使压控振荡器输出信号的频率与鉴相电路输入信号的频率相位差为零。 |
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| 说明书全文 | 一种易于调节的模拟锁相环控制电路技术领域背景技术[0002] 在描探针显微镜中，主要有两种方法来检测力传感器的共振频率的偏移。最常见的方法是振幅检测，其中力传感器以接近谐振频率的频率振动，由于谐振频率偏移而引起的振幅变化并保持振幅恒定，从而调节探针尖端与样品之间的距离。尽管振幅检测方法的实验装置非常简单，但当使用具有高品质因数的力传感器时，该方法导致扫描探针显微镜成像速度缓慢，限制了描探针显微镜的应用。调频检测方法就是这个问题的解决方案，在调频检测方法中，力传感器通过正反馈回路保持在其在谐振频率下振荡，通过调频检测器来检测力传感器谐振频率的偏移并保持恒定，从而调节探针针尖与样品之间的距离。 [0003] 最常见的调频检测器是正交检测器和锁相环，考虑到描探针显微镜的实际应用，力传感器的工作频率范围是设计调频检测器的一个非常重要的因素。在正交检波器的情况下，力传感器的工作频率范围非常窄，因此必须针对不同谐振频率的力传感器调整电路元件器参数。但在锁相环检测器工作条件下，其工作频率范围由压控振荡器的调节范围确定，通过利用具有宽调节范围的压控振荡器，在不改变电路元器件参数的情况下，非常容易实现具有任何谐振频率的力传感器的锁相环检测器。因此，锁相环检测器经常被用于扫描探针显微镜仪器中的调频检测。 发明内容[0004] 本发明提出一种易于调节的模拟锁相环控制电路。 [0005] 本发明的技术方案是：一种易于调节的模拟锁相环控制电路，其特征在于，包括数字主控单元、隔离电路、数字控制的模拟比例电路、鉴相电路、低通滤波电路和压控振荡器电路，所述的数字控制的模拟比例电路包括乘法型数模转换器和乘法型数模转换器的驱动电路，用于对低通滤波电路输出的模拟信号进行线性放大或缩小，所述的数字主控单元用于对数字控制的模拟比例电路的放大倍数的大小进行调控，所述的隔离电路用于将数字主控单元输出的数字控制信号转换为相应的模拟信号并且隔离数字电路和模拟电路，所述鉴相电路用于比较输入信号与压控振荡器输出信号的相位差，并产生对应于两信号相位差的电压信号，所述低通滤波电路用于消除鉴相电路输出的噪声和高频分量，所述压控振荡器电路包括压控振荡器和压控振荡器的驱动电路，用于控制输出信号的频率，使压控振荡器输出信号的频率与鉴相电路输入信号的频率相位差为零。 [0006] 所述的数字控制的模拟比例电路包括乘法型数模转换器和乘法型数模转换器的驱动电路，该乘法型数模转换器的数字IO口与隔离电路输出端相连、模拟参考电压输入口与低通滤波电路的输出端相连，并且该乘法型数模转换器内部具有可变电阻网络，该可变电阻网络的电阻值可以通过乘法型数模转换器的数字IO口输入的数字量的大小进行调控。 [0007] 所述的数字控制的模拟比例电路的输出电压与输入电压的比值由数字主控单元输出的数字量控制。 [0008] 所述的隔离电路包括光电耦合器和光电耦合器的驱动电路，所述的隔离电路的输入端与数字主控单元的数字IO口相连、输出端与乘法型数模转换器的数字IO口相连。 [0009] 本发明具有如下优点：易于调节的模拟锁相环控制电路实现对力传感器相位的调控，在不改变电路参数的情况下，非常容易实现用于具有任何谐振频率的力传感器的锁相环检测器，其调节速度更快、准确性更高。附图说明 [0010] 图1是本发明的结构示意图； [0011] 图2是本发明的一种具体实施电路图； [0012] 图3是乘法型数模转换器内部电阻网络等效电路图； 具体实施方式[0013] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。 [0014] 如图1所示，一种易于调节的模拟锁相环控制电路，其特征在于，包括数字主控单元、隔离电路、数字控制的模拟比例电路、鉴相电路、低通滤波电路和压控振荡器电路，所述的数字控制的模拟比例电路包括乘法型数模转换器和乘法型数模转换器的驱动电路，用于对低通滤波电路输出的模拟信号进行线性放大或缩小，所述的数字主控单元用于对数字控制的模拟比例电路的放大倍数的大小进行调控，所述的隔离电路用于将数字主控单元输出的数字控制信号转换为相应的模拟信号并且隔离数字电路和模拟电路，所述鉴相电路用于比较输入信号与压控振荡器输出信号的相位差，并产生对应于两信号相位差的电压信号，所述低通滤波电路用于滤除鉴相电路的输出噪声，所述压控振荡器用于控制输出信号的频率，使压控振荡器输出信号的频率与鉴相电路输入信号的频率相位差为零。 [0015] 如图2所示，本实施例中，数字主控单元U1为以FPGA或MCU或DSP或树莓派或ARM为主控芯片的数字控制电路。 [0016] 鉴相器U2的本质是乘法器，将输入信号与压控振荡器输出信号VCOout相乘并得到含有相位差的电压输出信号。 [0017] 低通滤波电路包括运算放大器U4、电阻R1、电阻R2和电容C1。电阻R1一端与鉴相器U1的输出相连，另一端与运算放大器U4的正输入端相连，电阻R2一端与运算放大器U4的正输入端相连，另一端与电容C1相连，电容C1的另一端接地；运算放大器U4的负输入端与运算放大器U4输出端相连，构成跟随器。 [0018] 隔离电路包括多通道光电耦合器U3和光电耦合器的驱动电路。隔离电路的输入端与数字主控单元U1的数字IO相连，输出端与乘法型数模转换器U5的数字IO口相连。 [0019] 数字控制的模拟比例电路包括乘法型数模转换器U5和运算放大器U6。乘法型数模转换器U5的电阻网络端口Rfb与运算放大器U6的输出端相连，乘法型数模转换器U5的数字IO端口SDI与光耦隔离的输出端相连，乘法型数模转换器U5的模拟参考电压端口Vref与运算放大器U4的输出相连；运算放大器U6的负输入端接乘法型数模转换器U5的输出端，运算放大器U6的正输入端接地。 [0020] 乘法型数模转换器U5的数字IO端口SDI的输入值改变时，乘法型数模转换器U5内部的可变电阻网络的阻值改变，数字控制的模拟比例电路的输入电压的与输出电压的比例也发生改变。 [0021] 压控振荡器电路包括压控振荡器U7和压控振荡器驱动电路。电容C2一端与压控振荡器U7的端口C1A相连，另一端与压控振荡器U7的端口C1B相连，电阻R3一端与压控振荡器U7的端口R1相连，另一端与地接，禁止输入端口INH与地相连，压控振荡器U7的输出信号做为鉴相电路的输入信号；通过计算配置电阻R3的阻值和电容C2的容值，可以控制压控振荡器U7输出频率范围和捕捉带宽。 [0022] 最后需要说明的是：以上所述仅仅为本发明的优选，并不限制本发明，尽管对于本发明的优选实施例作了详细的阐述说明，但是对于本专业、本领域的相关技术人员来说依旧可以参照本实施例进行方案的修改或完善，或者进行某些组件的等同替换，本发明的优选实施例仅为详细阐述本发明的技术方案说明设计等，并不限制本发明本身，凡是在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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