信號放大電路、其構成的金屬探測器及信號放大方法
【專利摘要】本發明公開了信號放大電路、其構成的金屬探測器及基于該電路的信號放大方法。信號放大電路包括信號發生器，用于產生電磁信號和參考信號；發射線圈，用于發射電磁信號；接收線圈，用于接收感應到的信號；第一放大器，用于將接收線圈的輸出信號放大；移相器，用于對參考信號進行移相；可調放大器，用于將參考信號放大；相位比較單元，用于將第一放大器輸出信號與可調放大器輸出信號進行相位比較，減法器，用于將第一放大器輸出信號與可調放大器輸出信號相減；第二放大單元，用于放大減法器輸出的信號；單片機，用于控制移相器和可調放大器，接收第二放大器的輸出信號。由該信號放大電路構成的探測器，可顯著提高探測器的探測能力。
【專利說明】
信號放大電路、其構成的金屬探測器及信號放大方法
技術領域
[0001]本發明涉及金屬探測器技術領域，尤其是及一種信號放大電路、其構成的金屬探測器及基于該電路的信號放大方法。
【背景技術】
[0002]金屬探測器廣泛使用在各個領域。在車站、機場、娛樂場所等地方，都會安裝金屬探測器。金屬探測器以非接觸的方式探測人身上是否帶有金屬物品。例如，通過式金屬探測器是其中一種金屬探測器，金屬探測器內部裝有發射線圈和接收線圈。當有金屬靠近金屬探測器的時候，金屬產生的渦流效應會影響探測器周圍的磁場，這時接收線圈會產生感應電流，電壓隨之改變。通過檢測接收線圈的電壓改變情況，可以判斷是否有金屬物質存在。
[0003]然而，在現有技術中，檢測到的接收線圈電動勢需要經過放大然后送到主芯片處理，但放大能力受到了很大的制約。運算放大器對信號放大，一方面受限于輸入端電壓與供電電源兩因素，運算放大器放大倍數受到制約，為測量接收線圈電動勢變化量時，放大倍數越大越好。如在輸入端信號為峰峰值0.5V，輸入信號變化量如果運放采用± 5V雙電源供電，最大輸出信號的峰峰值10V，那么在不失真情況下放大倍數極限值可以為20倍。
[0004]但是，另一方面是受限于模數轉換采樣的測量范圍，例如在模數轉換芯片量程為5V的情況下，運算器最大輸出信號的峰峰值只能是5V，如在輸入端信號為峰峰值0.5V，輸入信號放大倍數極限值只能是10倍。這樣測量電路在輸入信號變化量為lmV，可以測量的信號為10mV，對信號變化量的放大倍數為10倍，這微弱的電動勢變化量對檢測是很大的難度，因此需要一種新型的信號放大電路、基于該電路的新的金屬探測器及基于該電路的新的信號放大方法，來提高信號變化量的檢測能力、避免出現漏報誤報的情況，這樣的技術當前還沒有在現有技術中發現。
【發明內容】
[0005]為了克服現有技術的缺陷，本發明的任務有三個:1、設計一種新型的信號放大電路;2、基于該新型的信號放大電路設計一種新型金屬探測器;3、針對該新型信號放大電路采用一種新的信號放大方法，從而提高信號變化量的檢測能力、避免出現漏報誤報的情況。
[0006]為實現上述目的，本專利采用如下技術方案:
第一方面，一種信號放大電路，其特征在于，包括信號發生器，用于產生電磁信號和參考信號；
線圈支路，用于傳送電磁信號，線圈支路包括發射線圈，接收線圈，第一放大器；
參考支路，用于傳送參考信號，參考支路包括可調放大器；
其中，發射線圈，與信號發生器連接，用于發射電磁信號；
接收線圈，用于接收感應到的信號；
第一放大器，連接接收線圈，用于放大接收線圈的輸出信號；
可調放大器，用于放大參考信號； 相位比較單元，連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路進行相位比較；
減法器，連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路輸出信號相減；
第二放大器，連接減法器，用于放大減法器的輸出信號；
單片機，連接相位比較單元，第二放大器，可調放大器，用于接收第二放大器和相位比較單元的輸出信號，產生可調放大控制信號控制可調放大器；
還包括移相器，設置在線圈支路或者參考支路其中一個支路，用于對支路信號進行移相，與單片機連接，受單片機產生的移相控制信號所控制。
[0007]優選的，所述相位比較單元包括第一比較器和第二比較器，第一比較器和第二比較器是過零比較器。
[0008]優選的，所述相位比較單元還包括捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。
[0009]優選的，所述單片機中合成有捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。
[0010]優選的，所述移相控制信號是根據捕獲模塊輸出信號所決定。
[0011]優選的，所述可調放大控制信號是根據第二放大器的輸出信號所決定。
[0012]優選的，所述單片機包括模數轉換模塊;所述相位比較單元是幅相檢測芯片，用于檢測所述線圈支路與參考支路的幅值差值和相位差值。
[0013]優選的，所述單片機包括模數轉換模塊，所述相位比較單元合成在單片機中，相位比較單元連接模數轉換模塊。
[0014]優選的，所述模數轉換模塊分別與線圈支路和參考支路連接，并將線圈支路與參考支路信號轉換成數字信號。
[0015]優選的，單片機根據相位比較單元輸出的信號處理結果，生成移相控制信號。
[0016]優選的，單片機根據模數轉換模塊輸出信號，生成可調放大控制信號。
[0017]優選的，其特征在于，還包括功率放大器，設置于信號發生器與發射線圈之間，用于放大電磁信號的功率。
[0018]優選的，所述信號發生器是直接式數字頻率合成器。
[0019]優選的，所述電磁信號和參考信號具有相同頻率，相同波形。
[0020]第二方面，提供一種金屬探測器，包括殼體和設于其內的電子電路，其特征在于:所述電子電路，包括:
信號發生器，用于產生電磁信號和參考信號；
線圈支路，用于傳送電磁信號，線圈支路包括發射線圈，接收線圈，第一放大器；
參考支路，用于傳送參考信號，參考支路包括可調放大器；
其中，發射線圈，與信號發生器連接，用于發射電磁信號；
接收線圈，用于接收感應到的信號；
第一放大器，連接接收線圈，用于放大接收線圈的輸出信號；
可調放大器，用于放大參考信號；
相位比較單元，連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路進行相位比較；
減法器，連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路輸出信號相減；
第二放大器，連接減法器，用于放大減法器的輸出信號； 單片機，連接相位比較單元，第二放大器，可調放大器，用于接收第二放大器和相位比較單元的輸出信號，產生可調放大控制信號控制可調放大器；
還包括移相器，設置在線圈支路或者參考支路其中一個支路，用于對支路信號進行移相，與單片機連接，受單片機產生的移相控制信號所控制。
[0021]優選的，所述相位比較單元包括第一比較器和第二比較器，第一比較器和第二比較器是過零比較器。
[0022]優選的，所述相位比較單元還包括捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。
[0023]優選的，所述單片機中合成有捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。
[0024]優選的，所述移相控制信號是根據捕獲模塊輸出信號所決定。
[0025]優選的，所述可調放大控制信號是根據第二放大器的輸出信號所決定。
[0026]優選的，所述單片機包括模數轉換模塊;所述相位比較單元是幅相檢測芯片，用于檢測所述線圈支路與參考支路的幅值差值和相位差值。
[0027]優選的，所述單片機包括模數轉換模塊，所述相位比較單元合成在單片機中，相位比較單元連接模數轉換模塊。
[0028]優選的，所述模數轉換模塊分別與線圈支路和參考支路連接，并將線圈支路與參考支路信號轉換成數字信號。
[0029]優選的，單片機根據相位比較單元輸出的信號處理結果，生成移相控制信號。
[0030]優選的，單片機根據模數轉換模塊輸出信號，生成可調放大控制信號。
[0031]優選的，還包括功率放大器，設置于信號發生器與發射線圈之間，用于放大電磁信號的功率。
[0032]優選的，所述信號發生器是直接式數字頻率合成器。
[0033]優選的，所述電磁信號和參考信號具有相同頻率，相同波形。
[0034]第三方面，提供一種基于權利要求1之信號放大電路的信號放大方法，其特征在于，包括以下步驟:
(A)信號發生器產生電磁信號和參考信號，分別送至線圈支路和參考支路；
(B)在線圈支路中，發射線圈發射電磁信號，接收線圈接收感應到的信號，第一放大器將接收線圈的輸出信號放大；
(C)在參考支路中，可調放大器將參考信號放大；
(D)相位比較單元將將線圈支路與參考支路兩支路進行相位比較，將輸出信號到單片機，單片機產生移相控制信號；
(E)在線圈支路或者參考支路中的一支路設置移相器，移相器根據移相控制信號對支路信號進行移相；
(F)減法器將線圈支路和參考支路輸出信號相減；
(G)第二放大器將減法器輸出信號進行放大，然后送到單片機處理，其中單片機產生可調放大控制信號，進一步控制可調放大器。
[0035]優選的，所述步驟(D)中的相位比較單元包括第一比較器和第二比較器，第一比較器和第二比較器是過零比較器。
[0036]優選的，所述步驟(D)中的相位比較單元還包括捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。
[0037]優選的，所述單片機中合成有捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。
[0038]優選的，所述移相控制信號是根據捕獲模塊輸出信號所決定。
[0039]優選的，所述可調放大控制信號是根據第二放大器的輸出信號所決定。
[0040]優選的，所述單片機包括模數轉換模塊;所述相位比較單元是幅相檢測芯片，用于檢測所述線圈支路與參考支路的幅值差值和相位差值。
[0041]優選的，所述單片機包括模數轉換模塊，所述相位比較單元合成在單片機中，相位比較單元連接模數轉換模塊。
[0042]優選的，所述模數轉換模塊分別與線圈支路和參考支路連接，并將線圈支路與參考支路信號轉換成數字信號。
[0043]優選的，單片機根據相位比較單元輸出的信號處理結果，生成移相控制信號。
[0044]優選的，單片機根據模數轉換模塊輸出信號，生成可調放大控制信號。
[0045]優選的，還包括功率放大器，設置于信號發生器與發射線圈之間，用于放大電磁信號的功率。
[0046]優選的，所述信號發生器是直接式數字頻率合成器。
[0047]優選的，所述電磁信號和參考信號具有相同頻率，相同波形。
[0048]使用本發明信號放大電路構成的金屬探測器，結合該發明方法，實驗表明，本發明的探測器的信號檢測能力大為提高，漏報誤報的情況大大減少。
【附圖說明】
[0049]圖1是本發明信號放大電路的第一實施例的框圖；
圖2是本發明信號放大電路中相位比較單元的第一實施例框圖；
圖3是本發明信號放大電路中第一實施例中信號波形示意圖；
圖4是本發明信號放大電路的第二實施例的框圖；
圖5是本發明信號放大電路的第三實施例的框圖；
圖6是本發明信號放大電路的第四實施例的框圖；
圖7是本發明信號放大電路的第五實施例的框圖；
圖8是本發明信號放大電路的第六實施例的框圖；
圖9是本發明信號放大電路實現方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0050]下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步說明，但是本發明的保護范圍并不局限于實施方式表述的范圍。
[0051]請參考圖1，圖1是本發明信號放大電路的第一實施例的框圖。本發明所述的信號放大電路可用于探測器。所述的探測器是探測金屬物體的裝置。探測器包括手持式金屬探測器、通過式金屬探測器。
[0052]所述信號放大電路，包括信號發生器101、線圈支路和參考支路;其中線圈支路包括發射線圈102、接收線圈103、第一放大器104;參考支路包括可調放大器106;還包括移相器105，設置在線圈支路或者參考支路中的一支路，在圖1所示實施例中，移相器105設置在參考支路中，可調放大器106之前，所述放大電路還包括減法器107、第二放大器108、相位比較單元109、單片機110。
[0053]具體的，信號發生器101，用于產生電磁信號和參考信號。優選的，電磁信號和參考信號是相同頻率和相同波形，來自于相同觸發源。電磁信號與參考信號都是正弦波。優選的，信號發生器101是直接式數字頻率合成器(DDS)，直接式數字頻率合成器具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉換時間的特點。信號發生器101—方面將電磁信號傳輸到發射線圈102，另一方面將參考信號傳輸到參考支路。
[0054]優選的，所述信號放大電路，還包括功率放大器111，設置于信號發生器101與發射線圈102之間，用于放大電磁信號的功率。由于信號發生器101傳輸的電磁信號功率較低，而發射線圈102需要較大的能量傳輸信號，因此，需要對電磁信號先進行功率放大。功率放大器111可選用雙極型或場效應晶體管，也可以選用電子管。
[0055]根據麥克斯韋電磁場理論，從發射線圈102發射電磁信號，經過空氣的傳播，接收線圈103會有感應電流和感應電動勢。特別的，當有其他金屬部件在發射線圈102或者接收線圈103附近會產生渦流效應，從而影響接收線圈103產生的感應電流和感應電動勢。
[0056]將接收線圈的103接收到的信號傳輸到第一放大器104，第一放大器104用于將接收線圈103的輸出信號放大。應當理解，此處是將接收線圈103感應電動勢的變化量第一次增大。第一放大器104可選用雙極型或場效應晶體管，也可以選用電子管。優選的，選用增益可調的放大器。
[0057]在一些實施例中，信號發生器101將參考信號發送至移相器105，移相器105對參考信號進行相位移動，以匹配第一放大器104的輸出信號的相位，具體的匹配方式在后文中詳細說明。應當理解，除了對參考信號進行移相的方式以外，可以采用對第一放大器104的輸出信號進行相位移動的方式，特別的，還可以采用先將參考信號通過可調放大器106進行信號放大，再將可調放大器106的輸出信號進行相位移動的方式。通過上述三種實施方式，在效果上都能使輸入到減法器107前的兩路信號相位相等。
[0058]在移相的方式中，移相控制信號可采用模擬信號或者數字信號的方式。具體的，當使用模擬信號移相的方式時，需要增加A/D轉換模塊，應當理解，A/D轉換模塊可集成在移相器105中。所述移相器105還包括控制輸入端，連接單片機110。在一些實施方式中，單片機110根據相位比較單元109的輸出信號產生移相控制信號。
[0059]相位比較單元109連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路進行相位比較。進一步參考圖2，圖2是本發明信號放大電路中相位比較單元的第一實施例框圖。優選的，相位比較單元109包括第一比較器201和第二比較器202，捕獲模塊203，第一比較器201和第二比較器202是過零比較器，在一些實施方式中，捕獲模塊203集成在單片機110中。
[0060]進一步參考圖3，圖3是本發明信號放大電路中第一實施例中信號波形示意圖。波形301左側是第一放大器104的輸出波形，將上述輸出波形通過第一比較器201后，會得出301右側的波形。波形302左側是移相器105輸入波形，波形302右側是沒有移相前對應的方波。捕獲模塊203可對信號上升沿/下降沿敏感觸發。通過捕獲波形301右側和波形302右側上升沿/下降沿的相位差，單片機110根據所述相位差生成移相控制信號，通過SPI通訊方式調節移相器105中的電位器，使波形302相位移動，特別的，移相器105是可以調整2π角度相位的移相器。當波形302與波形301的相位差值在設定的范圍內時，則認為調整完成。波形303左側是移相器105的輸出信號，波形303右側是移相器105輸出信號經過第二比較器202的輸出波形。從圖中可以看出，此時波形301與波形303的相位已經大致相同。
[0061]將移相器105的輸出信號送至可調放大器106，可調放大器106的放大倍數受單片機110所控制。通過可調放大器106后的參考信號，其相位與幅值大小跟第一放大器104的輸出信號大致相同，將兩路信號送至減法器107，經過相減后，電磁信號基本抵消了同觸發源的參考信號，對減法器107的輸出信號送至第二放大器108，再一次進行放大。第二放大器108可選用雙極型或場效應晶體管，也可以選用電子管。優選的，選用增益可調的放大器。
[0062]在一些實施方式中，單片機110包括模數轉換模塊112，第二放大器108輸出信號傳送至模數轉換模塊112，模數轉換模塊112對其進行模擬信號到數字信號的轉換。通過計算，單片機110產生可調放大控制信號，通過SPI通訊方式調節可調放大器106中數字電位器，使可調放大器106輸出波形幅值產生變化，當采樣得到波形幅值最小，幅值調整完成。具體的，采樣的幅值通過波形面積進行疊加，當然也可以采用其他方式，如波形積分，判斷其面積最小的時候對應的可調放大器106放大倍數即是應該設置的可調放大器106放大倍數。
[0063]參考圖3，波形304是可調放大器106的輸出波形，經過相位調整和幅值調制后，波形304與波形301幅值與相位基本接近。
[0064]為了使送至減法器107的兩支路信號有大致相同的相位和幅值，除了采用上述方式外，還可以使用以下多種實施方式。
[0065]進一步參考圖4，圖4是本發明信號放大電路的第二實施例的框圖。在一些實施方式中，所述單片機包括模數轉換模塊112。所述相位比較單元109是幅相檢測芯片113，幅相檢測芯片113連接線圈支路和參考支路，將兩路彳g號進行檢測，提取幅值ig息和相位ig息。將幅值信息和相位信息傳送到單片機110的模數轉換模塊112，模數轉換模塊112對其進行計算，生成對應的移相控制信號和可調放大控制信號。
[0066]進一步參考圖5，圖5是本發明信號放大電路的第三實施例的框圖。在一些實施方式中，單片機110的模數轉換模塊112直接連接線圈支路和參考支路，所述相位比較單元合成在單片機中，相位比較單元連接模數轉換模塊112。根據其采樣結果，能夠測出兩個支路信號的過零點位置之間的時間差，以及兩個支路信號的幅值。單片機根據相位比較單元輸出的信號處理結果，生成對應的移相控制信號和可調放大控制信號。上述計算可通過軟件實現。
[0067]在所述信號放大電路中，電磁信號實際上經過了兩個放大器，經過發射線圈102和接收線圈103后，接收線圈103感應電動勢的變化量兩次放大。其放大倍數為第一放大器104放大倍數和第二放大器108放大倍數的乘積。例如第一放大器104放大倍數是10倍，第二放大器108的放大倍數是6倍，那么對接收線圈103感應電動勢變化量的放大倍數是60倍。擴大了對感應電動勢變化量的放大范圍，提高了探測器的探測能力。
[0068]參考圖6，圖6是本發明信號放大電路的第四實施例的框圖。與第一實施例的區別在于移相器105在電路中的位置。本實施例中，先將參考信號通過可調放大器106，再通過移相器105。其中關于可調放大器106和移相器105的控制方式、原理，還有其他電路部分的工作原理都與第一實施例一致，在此不再贅述。
[0069]參考圖7，圖7是本發明信號放大電路的第五實施例的框圖。與第一實施例的區別在于移相器105在電路中的位置。本實施例中，移相器105位于線圈支路上，設置在第一放大器104輸出端。移相的對象發生了變化，因此移相控制信號與第一實施例不同，具體的，例如，在第一實施例中，第一放大器104輸出信號與參考信號的相位相差10度，第一實施例需要對參考信號移相90度，那么在第五實施例中，若第一放大器104輸出信號與參考信號的相位仍然相差10度，那么需要對第一放大器104輸出信號移相270度。關于其他電路部分的工作原理與第一實施例一致，在此不再贅述。
[0070]進一步參考圖8，圖8是本發明信號放大電路的第六實施例的框圖。本實施例與第五實施例對比，移相器105的位置在了第一放大器104的輸入端前，另外，移相器的105的位置還可以在功率放大器111和發射線圈102之間，以完成相同的功能，達到相同的效果，其他電路部分的工作原理與第五實施例一致，在此不再贅述。
[0071 ]第二方面，提供一種金屬探測器包括殼體和設于其內的電子電路，其特征在于:所述電子電路，包括:信號發生器，用于產生電磁信號和參考信號;線圈支路，用于傳送電磁信號，線圈支路包括發射線圈，接收線圈，第一放大器;參考支路，用于傳送參考信號，參考支路包括可調放大器;其中，發射線圈，與信號發生器連接，用于發射電磁信號;接收線圈，用于接收感應到的信號；第一放大器，連接接收線圈，用于放大接收線圈的輸出信號；可調放大器，用于放大參考信號；相位比較單元，連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路進行相位比較;減法器，連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路輸出信號相減;第二放大器，連接減法器，用于放大減法器的輸出信號；單片機，連接相位比較單元，第二放大器，可調放大器，用于接收第二放大器和相位比較單元的輸出信號，產生可調放大控制信號控制可調放大器;還包括移相器，設置在線圈支路或者參考支路其中一個支路，用于對支路信號進行移相，與單片機連接，受單片機產生的移相控制信號所控制。
[0072]優選的，所述相位比較單元包括第一比較器和第二比較器，第一比較器和第二比較器是過零比較器。
[0073]優選的，所述相位比較單元還包括捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。
[0074]優選的，所述單片機中合成有捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。
[0075]優選的，所述移相控制信號是根據捕獲模塊輸出信號所決定。
[0076]優選的，所述可調放大控制信號是根據第二放大器的輸出信號所決定。
[0077]優選的，所述單片機包括模數轉換模塊;所述相位比較單元是幅相檢測芯片，用于檢測所述線圈支路與參考支路的幅值差值和相位差值。
[0078]優選的，所述單片機包括模數轉換模塊，所述相位比較單元合成在單片機中，相位比較單元連接模數轉換模塊。
[0079]優選的，所述模數轉換模塊分別與線圈支路和參考支路連接，并將線圈支路與參考支路信號轉換成數字信號。
[0080]優選的，單片機根據相位比較單元輸出的信號處理結果，生成移相控制信號。
[0081]優選的，單片機根據模數轉換模塊輸出信號，生成可調放大控制信號。
[0082]優選的，還包括功率放大器，設置于信號發生器與發射線圈之間，用于放大電磁信號的功率。
[0083]優選的，所述信號發生器是直接式數字頻率合成器。
[0084]優選的，所述電磁信號和參考信號具有相同頻率，相同波形。
[0085]本發明信號放大電路構成的金屬探測器，其中工作原理以及具體實施方案已經在信號放大電路中闡述，在此不再贅述，實驗表明，使用本發明的金屬探測器，檢測信號變化量的能力大為提高，漏報誤報的情況大大減少。
[0086]第三方面，提供一種信號放大電路的實現方法。
[0087]進一步參考圖9，圖9是本發明信號放大電路實現方法的流程圖。
[0088]步驟S901，信號發生器101產生電磁信號和參考信號，分別送至線圈支路和參考支路。優選的，電磁信號和參考信號是有相同頻率，相同波形。電磁信號與參考信號都是正弦波。優選的，信號發生器101是直接式數字頻率合成器(DDS)，直接式數字頻率合成器具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉換時間的特點。
[0089]步驟S902，在線圈支路中，發射線圈102發射電磁信號，接收線圈103接收發射線圈102發射的電磁信號，第一放大器104將接收線圈103的輸出信號放大。優選的，所述信號放大電路，還包括功率放大器111，設置于信號發生器101與發射線圈102之間，用于放大電磁信號的功率。由于信號發生器101傳輸的電磁信號功率較低，而發射線圈102需要較大的能量傳輸信號，因此，需要對電磁信號先進行功率放大。功率放大器111可選用雙極型或場效應晶體管，也可以選用電子管。
[0090]將接收線圈的103接收到的信號傳輸到第一放大器104，第一放大器104用于將接收線圈103的輸出信號放大。應當理解，此處是將接收線圈103感應電動勢的變化量第一次增大。第一放大器104可選用雙極型或場效應晶體管，也可以選用電子管。優選的，選用增益可調的放大器。
[0091 ] 步驟S903，在參考支路中，可調放大器106將參考信號放大。將參考信號送至可調放大器106，可調放大器106的放大倍數受單片機110所控制。
[0092]步驟S904，相位比較單元109將線圈支路與參考支路兩支路進行相位比較，將輸出信號到單片機110，單片機110產生移相控制信號。相位比較單元109連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路進行相位比較。進一步參考圖2，優選的，相位比較單元109包括第一比較器201和第二比較器202，捕獲模塊203，第一比較器201和第二比較器202是過零比較器，在一些實施方式中，捕獲模塊203集成在單片機110中。
[0093]步驟S905，在線圈支路或者參考支路中的一支路設置移相器105，移相器根據移相控制信號對支路信號進行移相;在一些實施例中，信號發生器101將參考信號發送至移相器105，移相器105對參考信號進行相位移動，以匹配第一放大器104的輸出信號的相位。應當理解，除了對參考信號進行移相的方式以外，可以采用對第一放大器104的輸出信號進行相位移動的方式，特別的，還可以采用先將參考信號通過可調放大器106進行信號放大，再將可調放大器106的輸出信號進行相位移動的方式。通過上述三種實施方式，在效果上都能使輸入到減法器107前的兩路信號相位相等。
[0094]在移相的方式中，移相控制信號可采用模擬信號或者數字信號的方式。具體的，當使用模擬信號移相的方式時，需要增加A/D轉換模塊，應當理解，A/D轉換模塊可集成在移相器105中。所述移相器105還包括控制輸入端，連接單片機110。在一些實施方式中，單片機110根據相位比較單元109的輸出信號產生移相控制信號。
[0095]進一步參考圖3，波形301左側是第一放大器104的輸出波形，將上述輸出波形通過第一比較器201后，會得出301右側的波形。波形302左側是移相器105輸入波形，波形302右側是沒有移相前對應的方波。捕獲模塊203可對信號上升沿/下降沿敏感觸發。通過捕獲波形301右側和波形302右側上升沿/下降沿的相位差，單片機110根據所述相位差生成移相控制信號，通過SPI通訊方式調節移相器105中的電阻值，使波形302相位移動，特別的，移相器105是可以調整2π角度相位的移相器。當波形302與波形301的相位差值在設定的范圍內時，則認為調整完成。波形303左側是移相器105的輸出信號，波形303右側是移相器105輸出信號經過第二比較器202的輸出波形。從圖中可以看出，此時波形301與波形303的相位已經大致相同。
[0096]步驟S906，減法器107將線圈支路和參考支路輸出信號相減。經過相減后，基本抵消了同觸發源的參考信號。
[0097]步驟S907，第二放大器108將減法器107輸出信號進行放大，然后送到單片機110處理，其中單片機110產生可調放大控制信號，進一步控制可調放大器106。第二放大器108可選用雙極型或場效應晶體管，也可以選用電子管。優選的，選用增益可調的放大器。
[0098]在一些實施方式中，單片機110包括模數轉換模塊112，第二放大器108輸出信號傳送至模數轉換模塊112，模數轉換模塊112對其進行模擬信號到數字信號的轉換。通過計算，單片機110產生可調放大控制信號，通過SPI通訊方式調節可調放大器106中數字電位器，使可調放大器106輸出波形幅值產生變化，當采樣得到波形幅值最小，幅值調整完成。具體的，采樣的幅值通過波形面積進行疊加，當然也可以采用其他方式，如波形積分，判斷其面積最小的時候對應的可調放大器106放大倍數即是應該設置的可調放大器106放大倍數。
[0099]為了使送至減法器107的兩支路信號有大致相同的相位和幅值，除了采用上述方式外，還可以使用以下多種實施方式。
[0100]進一步參考圖4，在一些實施方式中，所述單片機包括模數轉換模塊112。所述相位比較單元109是幅相檢測芯片113，幅相檢測芯片連接線圈支路和參考支路，將兩路信號進行檢測，提取幅值信息和相位信息。將幅值信息和相位信息傳送到單片機110的模數轉換模塊112，模數轉換模塊112對其進行計算，生成對應的移相控制信號和可調放大控制信號。
[0101]進一步參考圖5，在一些實施方式中，單片機110的模數轉換模塊112直接連接線圈支路和參考支路。所述相位比較單元合成在單片機中，相位比較單元連接模數轉換模塊112。根據其采樣結果，能夠測出兩個支路信號的過零點位置之間的時間差，以及兩個支路信號的幅值，生成對應的移相控制信號和可調放大控制信號。上述計算可通過軟件實現。
[0102]在所述信號放大電路中，電磁信號實際上經過了兩個放大器，經過發射線圈102和接收線圈103后，接收線圈103感應電動勢的變化量兩次放大。其放大倍數為第一放大器104放大倍數和第二放大器108放大倍數的乘積。例如第一放大器104放大倍數是10倍，第二放大器108的放大倍數是6倍，那么對接收線圈103感應電動勢變化量的放大倍數是60倍。擴大了對感應電動勢變化量的放大范圍，提高了探測器的探測能力。
[0103]參考圖6，圖6是本發明信號放大電路的第四實施例的框圖。與第一實施例的區別在于移相器105在電路中的位置。本實施例中，先將參考信號通過可調放大器106，再通過移相器105。其中關于可調放大器106和移相器105的控制方式、原理，還有其他電路部分的工作原理都與第一實施例一致，在此不再贅述。
[0104]參考圖7，圖7是本發明信號放大電路的第五實施例的框圖。與第一實施例的區別在于移相器105在電路中的位置。本實施例中，移相器105位于線圈支路上，設置在第一放大器104輸出端。移相的對象發生了變化，因此移相控制信號與第一實施例不同，具體的，例如，在第一實施例中，第一放大器104輸出信號與參考信號的相位相差10度，第一實施例需要對參考信號移相90度，那么在第五實施例中，若第一放大器104輸出信號與參考信號的相位仍然相差10度，那么需要對第一放大器104輸出信號移相270度，關于其他電路部分的工作原理與第一實施例一致，在此不再贅述。
[0105]進一步參考圖8，圖8是本發明信號放大電路的第六實施例的框圖。本實施例與第五實施例對比，移相器105的位置在了第一放大器104的輸入端前，另外，移相器的105的位置還可以在功率放大器111和發射線圈102之間，以完成相同的功能，達到相同的效果，其他電路部分的工作原理與第五實施例一致，在此不再贅述。
[0106]以上描述僅為本申請的較佳實施例以及對所運用技術原理的說明。本領域技術人員應當理解，本申請中所涉及的發明范圍，并不限于上述技術特征的特定組合而成的技術方案，同時也應涵蓋在不脫離所述發明構思的情況下，由上述技術特征或其等同特征進行任意組合而形成的其它技術方案。例如上述特征與本申請中公開的(但不限于)具有類似功能的技術特征進行互相替換而形成的技術方案。
【主權項】
1.一種信號放大電路，其特征在于，包括 信號發生器，用于產生電磁信號和參考信號； 線圈支路，用于傳送電磁信號，線圈支路包括發射線圈，接收線圈，第一放大器； 參考支路，用于傳送參考信號，參考支路包括可調放大器； 其中，發射線圈，與信號發生器連接，用于發射電磁信號； 接收線圈，用于接收感應到的信號； 第一放大器，連接接收線圈，用于放大接收線圈的輸出信號； 可調放大器，用于放大參考信號； 相位比較單元，連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路進行相位比較； 減法器，連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路輸出信號相減； 第二放大器，連接減法器，用于放大減法器的輸出信號； 單片機，連接相位比較單元，第二放大器，可調放大器，用于接收第二放大器和相位比較單元的輸出信號，產生可調放大控制信號控制可調放大器； 還包括移相器，設置在線圈支路或者參考支路其中一個支路，用于對支路信號進行移相，與單片機連接，受單片機產生的移相控制信號所控制。2.根據權利要求1所述的信號放大電路，其特征在于，所述相位比較單元包括第一比較器和第二比較器，第一比較器和第二比較器是過零比較器。3.根據權利要求2所述的信號放大電路，其特征在于，所述相位比較單元還包括捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。4.根據權利要求2所述的信號放大電路，其特征在于，所述單片機中合成有捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。5.根據權利要求4所述的信號放大電路，其特征在于，所述移相控制信號是根據捕獲模塊輸出信號所決定。6.根據權利要求5所述的信號放大電路，其特征在于，所述可調放大控制信號是根據第二放大器的輸出信號所決定。7.根據權利要求1所述的信號放大電路，其特征在于，所述單片機包括模數轉換模塊；所述相位比較單元是幅相檢測芯片，用于檢測所述線圈支路與參考支路的幅值差值和相位差值。8.根據權利要求1所述的信號放大電路，其特征在于，所述單片機包括模數轉換模塊，所述相位比較單元合成在單片機中，相位比較單元連接模數轉換模塊。9.根據權利要求8所述的信號放大電路，其特征在于，所述模數轉換模塊分別與線圈支路和參考支路連接，并將線圈支路與參考支路信號轉換成數字信號。10.根據權利要求9所述的信號放大電路，其特征在于，單片機根據相位比較單元輸出的信號處理結果，生成移相控制信號。11.根據權利要求10所述的信號放大電路，其特征在于，單片機根據模數轉換模塊輸出信號，生成可調放大控制信號。12.根據權利要求1-11中任一權利要求所述的的信號放大電路，其特征在于，還包括功率放大器，設置于信號發生器與發射線圈之間，用于放大電磁信號的功率。13.根據權利要求12所述的信號放大電路，其特征在于，所述信號發生器是直接式數字頻率合成器。14.根據權利要求13所述的信號放大電路，其特征在于，所述電磁信號和參考信號具有相同頻率，相同波形。15.—種金屬探測器，包括殼體和設于其內的電子電路，其特征在于:所述電子電路，包括: 信號發生器，用于產生電磁信號和參考信號； 線圈支路，用于傳送電磁信號，線圈支路包括發射線圈，接收線圈，第一放大器； 參考支路，用于傳送參考信號，參考支路包括可調放大器； 其中，發射線圈，與信號發生器連接，用于發射電磁信號； 接收線圈，用于接收感應到的信號； 第一放大器，連接接收線圈，用于放大接收線圈的輸出信號； 可調放大器，用于放大參考信號； 相位比較單元，連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路進行相位比較； 減法器，連接線圈支路和參考支路，用于將兩支路輸出信號相減； 第二放大器，連接減法器，用于放大減法器的輸出信號； 單片機，連接相位比較單元，第二放大器，可調放大器，用于接收第二放大器和相位比較單元的輸出信號，產生可調放大控制信號控制可調放大器； 還包括移相器，設置在線圈支路或者參考支路其中一個支路，用于對支路信號進行移相，與單片機連接，受單片機產生的移相控制信號所控制。16.根據權利要求15所述的金屬探測器，其特征在于，所述相位比較單元包括第一比較器和第二比較器，第一比較器和第二比較器是過零比較器。17.根據權利要求16所述的金屬探測器，其特征在于，所述相位比較單元還包括捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。18.根據權利要求16所述的金屬探測器，其特征在于，所述單片機中合成有捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。19.根據權利要求18所述的金屬探測器，其特征在于，所述移相控制信號是根據捕獲模塊輸出信號所決定。20.根據權利要求19所述的金屬探測器，其特征在于，所述可調放大控制信號是根據第二放大器的輸出信號所決定。21.根據權利要求15所述的金屬探測器，其特征在于，所述單片機包括模數轉換模塊；所述相位比較單元是幅相檢測芯片，用于檢測所述線圈支路與參考支路的幅值差值和相位差值。22.根據權利要求15所述的金屬探測器，其特征在于，所述單片機包括模數轉換模塊，所述相位比較單元合成在單片機中，相位比較單元連接模數轉換模塊。23.根據權利要求22所述的金屬探測器，其特征在于，所述模數轉換模塊分別與線圈支路和參考支路連接，并將線圈支路與參考支路信號轉換成數字信號。24.根據權利要求23所述的金屬探測器，其特征在于，單片機根據相位比較單元輸出的信號處理結果，生成移相控制信號。25.根據權利要求24所述的金屬探測器，其特征在于，單片機根據模數轉換模塊輸出信號，生成可調放大控制信號。26.根據權利要求15-25中任一權利要求所述的金屬探測器，其特征在于，還包括功率放大器，設置于信號發生器與發射線圈之間，用于放大電磁信號的功率。27.根據權利要求26所述的金屬探測器，其特征在于，所述信號發生器是直接式數字頻率合成器。28.根據權利要求27所述的金屬探測器，其特征在于，所述電磁信號和參考信號具有相同頻率，相同波形。29.基于權利要求1之信號放大器的信號放大方法，其特征在于，包括以下步驟: (A)信號發生器產生電磁信號和參考信號，分別送至線圈支路和參考支路； (B)在線圈支路中，發射線圈發射電磁信號，接收線圈接收感應到的信號，第一放大器將接收線圈的輸出信號放大； (C)在參考支路中，可調放大器將參考信號放大； (D)相位比較單元將線圈支路與參考支路兩支路進行相位比較，將輸出信號到單片機，單片機產生移相控制信號； (E)在線圈支路或者參考支路中的一支路設置移相器，移相器根據移相控制信號對支路信號進行移相； (F)減法器將線圈支路和參考支路輸出信號相減； (G)第二放大器將減法器輸出信號進行放大，然后送到單片機處理，其中單片機產生可調放大控制信號，進一步控制可調放大器。30.根據權利要求29所述的信號放大方法，其特征在于，所述步驟(D)中的相位比較單元包括第一比較器和第二比較器，第一比較器和第二比較器是過零比較器。31.根據權利要求30所述的信號放大方法，其特征在于，所述步驟(D)中的相位比較單元還包括捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。32.根據權利要求30所述的信號放大方法，其特征在于，所述單片機中合成有捕獲模塊，用于計算所述第一比較器和第二比較器的輸出信號的相位差值。33.根據權利要求32所述的信號放大方法，其特征在于，所述移相控制信號是根據捕獲模塊輸出信號所決定。34.根據權利要求33所述的信號放大方法，其特征在于，所述可調放大控制信號是根據第二放大器的輸出信號所決定。35.根據權利要求29所述的信號放大方法，其特征在于，所述單片機包括模數轉換模塊;所述相位比較單元是幅相檢測芯片，用于檢測所述線圈支路與參考支路的幅值差值和相位差值。36.根據權利要求29所述的信號放大方法，其特征在于，所述單片機包括模數轉換模塊，所述相位比較單元合成在單片機中，相位比較單元連接模數轉換模塊。37.根據權利要求36所述的信號放大方法，其特征在于，所述模數轉換模塊分別與線圈支路和參考支路連接，并將線圈支路與參考支路信號轉換成數字信號。38.根據權利要求37所述的信號放大方法，其特征在于，單片機根據相位比較單元輸出的信號處理結果，生成移相控制信號。39.根據權利要求38所述的信號放大方法，其特征在于，單片機根據模數轉換模塊輸出信號，生成可調放大控制信號。40.根據權利要求29-39中任一權利要求所述的信號放大方法，其特征在于，還包括功率放大器，設置于信號發生器與發射線圈之間，用于放大電磁信號的功率。41.根據權利要求40所述的信號放大方法，其特征在于，所述信號發生器是直接式數字頻率合成器。42.根據權利要求41所述的信號放大方法，其特征在于，所述電磁信號和參考信號具有相同頻率，相同波形。
【文檔編號】G01V3/11GK105846824SQ201610182496
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月25日
【發明人】王孝洪, 王積東, 陳英杰
【申請人】東莞市華盾電子科技有限公司