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基于FPGA的数字锁相放大器的设计与研究

许文佳  
【摘要】:锁相放大器是一种对微弱交流信号进行相关检测的仪器,它利用被测信号和参考信号相关、而噪声和参考信号不相关的特性进行检测,因此可以大幅度的抑制噪声,提高探测系统的灵敏度和信噪比。随着电子技术的发展,对锁相放大器的研究基本经历了模拟电路、模拟和数字混合电路、全数字电路三个阶段。由于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)具有很强的灵活性,能够很容易地修改设计,这使得它非常适用于研究和设计数字锁相放大器。但是锁相放大器设计复杂,需要一定的技术经验积累,目前国内在该方面的研究上与国外尚有差距。如果我们能够针对具体的应用需求,研制专用型的数字锁相放大器,就会大大地降低难度。本论文正是针对国家“863”项目的特定需求设计的用于红外气体检测的专用数字锁相放大器。 首先,本论文研究了锁相放大器的基本设计思想、信号的自相关和互相关函数、对比分析了信号的自相关和互相关两种检测技术,以及信号的模拟解调和数字解调技术。通过对比自相关检测技术和互相关检测技术发现,后者比前者具有更好的噪声抑制能力。因此,依据互相关检测理论,提出了一种正交矢量型数字锁相放大器的设计方案。 其次,由于要检测的电信号非常微弱,需要经过一定的处理,才可以进行互相关检测。因此,在待测信号进入FPGA之前,我们研究设计了探测器的偏置电路、基于OP07芯片的两级信号放大电路、双重反馈带通有源滤波电路以及基于AD9220芯片的12位A/D转换电路。 接着,作为论文的核心章节,结合ALTERA公司的DSP Builder设计平台和Quartus II软件研究设计了信号的相关检测器。(1),由于直接数字合成(DDS)技术具有很高的频率分辨率以及很短的频率转换时间,能够很容易地改变输出信号的幅度、频率和相位。因此,我们采用DDS技术设计了一对与待测信号同频、正交的参考信号(频率为10kHz)。(2),设计了12bit×12bit的乘法器模块,以实现待测信号与参考信号的相乘运算。(3),设计了截止频率为4kHz的64阶FIR低通滤波器,用来对乘法器的输出信号进行滤波。 最后,作为论文的实验环节,在DSP Builder设计平台上进行图形化设计并仿真通过后,使用Simulink生成相应的硬件描述语言,结合Quartus II软件下载至ALTERA公司的FPGA芯片EP1C6Q240C8中。对频率为10kHz、幅值为20~100mV的信号检测结果表明,测得的锁相放大器实际输出的直流电压与理论计算值(理论值应为实际幅值的一半)能够较好地吻合,单次测量值的最大误差小于5%,做平均处理后的相对误差小于1%。这也说明我们设计的锁相放大器是可靠的。


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