新型单芯片模拟锁相放大器自动相位和频率调谐的物理/化学噪声现象检测外文翻译资料

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新型单芯片模拟锁相放大器自动相位和频率调谐的物理/化学噪声现象检测

摘要：本文所研究的是一个新型的完全集成的模拟锁定放大器，该放大器可以用于充满噪声物理、化学环境下的精确检测以及测量。本文所提出的系统，运用单芯片0.35微米标准CMOS技术，实现在参考工作频率下，自动输入、参考信号、自调谐之间的相对相位校准，因此允许精确地和连续地显示来自传感器的微弱信号（淹没在噪声之中）的平均值。该电路在低频率范围内进行了优化，这个范围被设置在2.5-25Hz。实验结果证实该系统对充满噪声且信号幅值低至60nV和降低的乙二醇浓度测量的正确性。相比于被用作基本气体传感器交互更加简单的电阻分压器，鉴于所提出的自动锁定放大器，这个系统在分辨率方面允许理论更加接近理论值得气体检测。

关键词：模拟锁相放大器;自动电路;相位自校准;频率自调节;电阻式天然气传感器;极低的气体浓度;气体检测; 高分辨率;高灵敏度;高精度。

1. 简介

极少的物理或者化学数量的检测（比如说危险的气体和有害的生物物质）在传感器的应用中有着基础的作用，这项检测的重要性与安全和好处息息相关。从这个角度上说，检测的精度可以通过对测量系统的灵敏度和分辨率进行优化得以实现。

在从传感器中接受到的信号幅度较小和信号淹没在噪声中时（比如说信号噪声比小于1），传统的滤波器技术不能被应用。在这些情况下，可以将已知参考频率的交流电压信号从噪声中提取出来的锁相环技术可以被考虑，因为该技术能够提高一个系统的信噪比。在这种情况下，这种技术被临时应用在传感器交互系统中。因为这些技术的应用一般基于数字的方法，应用会带来一些麻烦的内部结构，他们有优秀的表现并且特别适合多频率的应用，比如商业的锁定放大器，但是，他们成本很高，尺寸和重量不适合移动的情况。恰恰相反，特别是考虑到传感器的应用，因为被显示的信号是模拟信号，对基于完全模拟架构的锁定放大器的使用是被推荐的。

不幸的是，为了能够正确读取输出电压、输入噪声平均值的比例，模拟和数字传统的锁定放大器在获取已知或者固定运行频率和在上电工作时间准确获取相位校准存在一定劣势。对于后者的获取需要通过合适的控制信号和切换的使用来实现。除此以外，如果频率出现了变化，这个系统需要额外的校正，或者在更加糟糕的情况下，需要内部模块（比如带通滤波器）的重新设计。

由于这些原因，我们开发了一个面对少量物理化学数量、能够准确测量来自传感器小信号的新型的模拟集成的锁定放大器。通过内部适当的反馈，这个系统能自动连续地完成相对相位的对齐和输入噪声和参考信号的操作频率的调谐，可以准确检测输入交流信号的平均值。这样调整的措施（校正）不再被需要。使用标准CMOS技术、以集成电路的方式设计该系统。这个系统的运行频率范围被优化在2.5Hz到25Hz之间，所以该系统适合不同气体传感器的应用。

通过印刷电路板和使用电阻式气体传感器FIGARO TGS2600来完成对乙二醇浓度检测的线性电气特性描述和结果已经展现了该系统检测淹没在噪声中的极小微弱信号的能力，提供了一个灵敏度和分辨率的改善，这个改善允许测量几十ppb数量的气体浓度。

本文的结构如下:第二部分是基本的模块和锁定放大器的基本功能；第三第四部分介绍其电气特性和一些样本气体的测量；第五部分得出结论。

1. 提出的新型纯模拟锁定放大器

图1在模块级别展现了全部的架构原理图。这代表了在拓扑结构上巨大的进步。该系统可以在上电和在频率发生波动时自动且连续地完成自动相位对齐和输入噪声信号和参考信号的自调谐，因此可以正确检测输入信号的平均值。

图1中更多的细节，锁定放大器由四个子系统构成，由矩形模块强调：多变的移相；测量；90度移相；自动频率调谐。正确的相位对齐和系统频率的调谐被保证当在LP1、LP2、LP4的信号等于0.通过运行自动操作以及合适的反馈，可以确保这些情况的发生。反馈模块1和反馈模块2管控输入和参考信号之间的相对相位，反馈模块3控制带通滤波器自调谐时的频率。同时，和输入噪声信号幅度相关的直流输出信号的正确测量是：

A的值由电压增益所决定，该增益和LNA和滤波器阶数有关（带通滤波器1和低通滤波器1）。

本文所提出的锁定放大器的主要的内部拓扑结构通过传统的模拟原理图来构建。除此以外，该电路通过设定低通滤波器元器件的数值改善了系统的分辨率。

1. 集成锁定放大器的电气特性描述

本文提出的锁定放大器通过原版的印刷电路板实现，也是通过标准CMOS技术制作成集成电路。它以单电压供电并且降低电源消耗。它通过优化可以在极低的频率工作（2.5Hz到25Hz），这样的值适合不同的气体传感器应用并且可以在外部轻松调控。

根据检测到的不同的信号，它的电气特性的描述可以在不同的电压增益下运转。实验测量通过样本信号进行采集，通过将理论值和实际值进行比较，该系统的电气分辨率可以被评估。

图3描述了典型的自动锁定放大器对于两个主要电压信号和的响应时间，强调了系统上电和当输入信号的幅度和相位发生变化时的自我调整能力。当相位校准信号返回0时，由于自动运行经过短暂的时间，与此同时根据交流输入信号达到其合适的直流值。

当选定的参考频率为11Hz时，图4显示了根据不同的输入信号的幅值得到的不同的测量值。该系统的灵敏度被设置为大约7600。由实验数据可知，考虑到噪声级别大约是500微伏，最小的信噪比大约是0.002，锁定电压信号的分辨率大约是60nV，电压增益A大约是10000。设计的电路在提取出的直流电压和输入的交流信号表现出良好的线性，信噪比远远小于1。

图一 自动锁定模块：当三项校正输出为0时，输出值和交流输入信号幅度成比例

1. 基于商业电阻式气体传感器的实验测量

完整的集成电路设计被用来检测样本气体进入密闭房间的存在，通过商业电阻式气体传感器FIGARO TGS2600。实验的设置见图5。

图2 制造芯片的照片（锁定放大器被使用白色的方框突出；该面积小于8平方毫米）

图3 典型自动锁相环实验反应时间：系统上电时的自我排列和当输入信号幅度和相位变化发生时

图4 和理论值计算相比的实验测量数据

图5 使用电阻式气体传感器的完整电子实验气体检测

在乙二醇浓度的检测中完成了一些初步的测量，显示了对于淹没在噪声中、来自传感器极小的微弱信号的测量的能力。

图6显示了在锁定放大器输出端测量系统响应时间的例子，在输出端我们测量5分钟之内不同乙二醇的浓度的回流，并且每15分钟改变参考空气流。在这个情况下，这个系统被优化运行在特定频率11Hz下。通过采样率为1秒的数据获取现实和测量输出的电压信号。

面对使用电阻分压的简单的传感器交互，由提出的锁定放大器带来的分辨率的改善是超过100的影响因子；事实上，输出的噪声级别大约是500微伏，理论上的几十ppb的分辨率数值可以被获得。

图6 在不同乙二醇浓度下（A=4.8ppm,B=2.4ppm）输出直流电压信号与反应时间的关系

1. 结论

在本项目中，一个新型纯模拟集成自动锁定放大器已经被提出，它适合于传感器交互应用以及对于极低气体浓度的检测，提供了在充满噪声的环境下准确而且连续地检测输入信号。它的主要优势在于关注了连续执行在输入和参考信号以及在参考频率的自调谐的自动相位对齐的能力。

该系统允许增强信噪比，也提高了前端分辨率，也允许对于减少的化学物理数量的极小的传感器的变化的检测。整个系统使用0.35微米标准的CMOS技术以单芯片的形式进行设计，电源消耗低，成本低，重量、尺寸小。

实验测量显示该系统可以检测到极小的混有噪声的信号（比如信噪比小于1）以及检测到几十纳伏的数值。因此我们相信这个模拟锁定放大器系统可以运用在现代高精度高准确率的可移动式传感器测量系统，改善灵敏度、分辨率和信噪比。

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