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相敏检波能较好地对淹没在噪声中的低频弱电流信号检测,并提取弱电流信号,从而达到除去噪声的目的,在精密弱信号测量中得到了广泛的应用。相敏检波器主要由两部分组成:模拟乘法器和具有无限积分时间的积分器。在实际电路中,由于模拟乘法器精度有限、运算较复杂和速度慢等缺点,因此一般用速度快、精度高、参考信号不受幅度影响、动态范围大的模拟电子开关代替;此外,无限积分时间的积分器受到电阻和电容的限制,不可能无限,所以用低通滤波器近似地代替[4]。相敏检波的理论基础是依据随机理论中互相关性原理运算,具体如图1所示:
其中ui为测量信号;un为噪声信号;uref为参考信号,此信号为方波;uo为输出信号。
若测量信号与噪声信号形成的信号为
$${f_{\rm{1}}}(t) = {u_{\rm{i}}}(t) + {u_{\rm{n}}}(t),$$ (1) 参考信号为
$${f_2}(t) = {u_{{\rm{ref}}}}(t){\text{。}}$$ (2) $$ \begin{split} {{{u}}_1}(\tau ) =& \mathop {\lim }\limits_{T \to \infty } \frac{1}{{2T}}\int_{ - T}^T {{f_1}(t){f_2}(t - \tau ){\rm d}t} \\ =& \mathop {\lim }\limits_{T \to \infty } \frac{1}{{2T}}\left[ {\int_{ - T}^T {{u_{\rm i}}(t){u_{\rm{ref}}}} } \right.(t - \tau ){\rm d}t+ \\&\left. { \int_{ - T}^T {{u_{\rm n}}(t){u_{\rm{ref}}}(t} - \tau ){\rm d}t} \right]\\ =& {U_{{u_{\rm i}}{u_{\rm{ref}}}}} + {U_{{u_{\rm n}}{u_{\rm{ref}}}}}, \end{split} $$ (3) 式(3)中的第二项为参考信号与噪声信号的相关项,由于它们之间不相关,因此此项为零;则式(3)简化为最终的输出信号uo:
$$ {u}_{\rm{o}}(\tau )={U}_{{u}_{\rm{i}}{u}_{\rm{ref}}}, $$ (4) 从式(4)中可以得到,噪声信号与参考信号没有相关性,因此对最后的结果没有影响。由于放大电路中的噪声与参考信号没有相关性,因此噪声被充分抑制,所以可以通过提高放大电路增益来提高系统灵敏度而不用担心噪声的影响[10]。
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分别从电路(复杂程度、成本等因素)和开关型相敏检波(不受参考信号幅度影响的特性、动态范围大和抗过载能力强等)优点考虑,设计了简单有效的开关型相敏检波电路如图2所示;模拟乘法器用一款四极、精密以及单刀双掷的模拟开关MAX333代替,它具有静态漏电流小,且逻辑输入和开关模拟信号可以在电源电压之间的任意范围内无损;四个独立开关可用±4.5~±20 V范围内的双极电源供电,也可用+10~+30 V之间的单端电源供电。在电路中,MAX333采用了双极电源(±12 V)供电。
待测信号Ui经过信号变换电路形成相位相反的两路信号,将此两路信号Ui1和Ui2分别输入到MAX333的两个输入端2脚和4脚,其中Ui2=–Ui1=–Ui。1脚是逻辑控制脚,即参考方波信号输入端Ue,在一个周期内,当1脚为低电平时,3,4脚导通,当1脚为高电平时,2,3脚导通,从而实现了一个周期内的检波。
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图7所示相敏检波电路波形图,图中(a)为ICL8038波形发生器输出的正弦调制信号用于驱动振动电容,方波为相敏检波参考信号。将激励信号经功率放大后驱动振动电容器,弱电流调制成交流电压信号,经过放大得到如图7(b)和(c)所示信号,其中(b)为相移0°相敏检波图,(c)为相移120°相敏检波图;(a)和(b)中通道1信号是放大后信号,通道2信号是相敏检波信号,通道3信号是检波后通过低通滤波器的信号;可以看出,在整个周期内相敏检波是对输入信号做了整流,此信号通过低通滤波器可以得到直流电压信号。通过对比(b)和(c)图,当相移120°时,低通滤波后信号的幅度显著减小而且还伴随着明显的噪声,这说明在不合理的相移情况下,不仅会使待测信号严重丢失,而且伴随着噪声的产生。
为了测试微弱电流信号与经过系统处理后电压信号的线性关系,测试采用Keithley 6430 系列超灵敏电流源,分别测试了输入电流信号从0.01到10 pA所对应的电压信号,如图8所示:
实验结果表明,输入弱电流与输出电压之间具有良好线性关系,说明该系统能够有效放大微弱电流信号,电流测量灵敏度达到了10–14 A,量程范围为10–11~10–14 A。引入直流负反馈后,测量弱电流达到稳定时的时间响应如表1所列,从没有引入负反馈的100多秒减小为15秒左右,系统放大倍数提高后,还可以进一步缩短测量响应时间。
表 1 直流负反馈测量响应时间
电流范围/
pA上升时间(达到峰值
90%的时间)/s电流范围/
pA下降时间(降到峰值
10%的时间)/s0~1 15.45 1~0 15.28 0~5 14.47 5~0 15.36 0~10 14.83 10~0 15.50 为了进一步验证该系统在实际应用中的可靠性,用积分电离室探测氚靶放射出的β射线。考虑到积分电离室输出电流和工作电压之间有饱和特性,实验测量了积分电离室的工作电压增加与系统电路的输出电压之间关系。采用标准电流源标定,将系统电路的输出电压换算成积分电离室的输出电流,可得到积分电离室的输出电流和工作电压之间的饱和曲线图如图9所示。
从图9可知:当工作电压为1 100 V左右时出现了坪区,即饱和区;由于电离室工作在饱和区,所以积分电离室工作时可以选择在1 100 V以后的饱和区。
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摘要: 在射线强度测量中,积分电离室输出的电流信号在10–10~10–15 A范围内,该弱电流信号需要转换和放大才可以进行采集。针对积分电离室本文设计了一种弱电流信号放大系统,采用交流调制技术将待测弱直流电流信号调制为交流电压信号,再经放大、相敏检波、滤波等电路处理后得到直流电压信号,最后进行数据采集;同时在系统中引入直流负反馈后缩短了电流测量的响应时间。采用标准电流源测试了系统输入输出线性及响应特性,测试了积分电离室检测氚靶的β射线。测试结果表明:该系统能够有效放大10–14~10–11 A范围内的弱电流信号且有较好的线性和响应时间特性,电流测量灵敏度达到了10–14 A,该系统具有良好的工程应用前景。Abstract: In the measurement of ray intensity, the current signal from the integral ionization chamber is in the range of 10-10~10-15 A, which needs to be converted and amplified before it can be collected. A weak current signal amplification system is designed for the integral ionization chamber in this paper, using AC modulation technology to modulate the weak DC current signal to be measured into AC voltage signal, and then obtains the DC voltage signal after amplification, phase-sensitive detection, filtering and other circuit processing, and finally the data is collected. At the same time, the DC negative feedback is introduced into the system to shorten the response time of current measurement. The linear and response characteristics of the system were tested by the standard current source, and the β ray of tritium target was detected by an integral ionization chamber. The test results show that the system can effectively amplify the weak current signal in the range of 10-14~10-11 A with good linearity and response time characteristics, and the current measurement sensitivity is 10-14 A, the system has a good prospect of engineering application.
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Key words:
- AC modulation technique /
- phase-sensitive detection /
- weak current
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表 1 直流负反馈测量响应时间
电流范围/
pA上升时间(达到峰值
90%的时间)/s电流范围/
pA下降时间(降到峰值
10%的时间)/s0~1 15.45 1~0 15.28 0~5 14.47 5~0 15.36 0~10 14.83 10~0 15.50 -
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