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数字锁相放大器的设计与实现

郭璐璐  
【摘要】:锁相放大器(Lock-in Amplifier, LIA)属于精密仪器范畴,其主要功能是用来检测和测量微弱信号,待测的微弱信号通常隐藏在复杂环境噪声中,并且其幅度与噪声相比要小得多。它利用相敏检测(Phase Sensitive Detection, PSD)技术,能够识别出与参考信号同频的被测信号,消除与参考信号不同频的噪声信号的干扰,从而准确测量出被测信号的大小。锁相放大器按照实现方法不同可分为模拟型和数字型两种,其中模拟锁相放大器的研究开展的最早。但由于模拟器件本身实现工艺和精度等方面的限制,导致模拟锁相放大器存在输出偏置、温度漂移等亟待解决的问题。近年来,制造工艺和大规模集成电路的飞速发展,使得数字技术获得前所未有的进步。基于DSP或FPGA技术而实现的数字锁相放大器,克服了以往模拟锁相放大器的问题和缺陷,并同时具有功能灵活、运算速度快、处理能力强、实时性好等优点,成为锁相放大器研究的发展趋势。 本文首先从本课题的研究背景入手,介绍微弱信号检测技术的基本知识,调研了国内外研究机构在锁相放大器领域的科研现状,然后把锁相放大器的工作原理,即相敏检测技术,从时域角度和信噪改善比角度,进行详细分析。本文以TI公司的DSP芯片TMS320VC5502为数字信号处理的核心,以MSP430F149型单片机为微控制器,并结合一些其它的各外围电路和芯片,设计了一种采样率、测试时间、参考信号频率等参数可调的高性能正交矢量型数字锁相放大器系统。该锁相放大器系统由程控放大、前级低通滤波、AD采样、数据处理、系统控制以及上位机等多个模块构成,文章详细介绍了各个模块的电路构成和工作原理特性。在数据处理模块,分析了多种参考信号生成的方法的原理并对其性能进行比较;以多抽样率信号处理理论为基础,设计出降采样因子D可变的高速窄带低通滤波器组,经测试可知,该滤波器在500KHz的采样率下通带截止频率最低可达0.53Hz,具有很高的Q值,满足数字锁相放大器对滤波器的要求。 最后搭建了系统测试平台,并从系统的稳定性和准确性以及抗噪声性能等方面进行了测试和分析。测试结果表明:在没有噪声加入的情况下,系统的相对误差最小可以控制在0.1%以下;随着白噪声的加入,并且其幅度为待测有用信号幅度的5倍时,系统可实现的测试相对误差能够控制在0.2%以下,当白噪声的幅度增大到被测信号幅度的25倍时,系统的测试相对误差可以控制在0.5%以内,当白噪声的幅度继续增大到被测信号幅度的40倍时,系统的测试相对误差可以控制在1%左右。


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