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智能锁相放大器的设计

任云杰  
【摘要】:锁相放大器,特别是数字型的正交矢量锁相放大器,是微弱信号检测领域里的主要仪器,它具有测量精度高,稳定性好,信噪比高等突出优点,被广泛应用在物理、化学、生物、医学以及多种工程领域中。为了满足实时性高、运算速度快、精度高等要求,本文选用了ARM和FPGA组成的嵌入式平台进行智能锁相放大器的系统设计。 本文围绕数字型正交矢量锁相放大器设计,首先,介绍了它的工作原理和基本结构,分析了影响其性能的主要参数采样频率、低通滤波器的截止频率、阶数等,提出了基于ARM和FPGA嵌入式平台的智能锁相放大器的解决方案。其次,根据数字型的正交矢量型锁相放大器的结构,设计了系统的硬件,选择了AD8331作为信号通道的前置放大器和可变增益放大器,可提供20M的带宽,74.5dB的增益;选择了AD9430作为模数转换器,可提供120M的采样速率,375μV的分辨率;选择了AD9518-1为模数转换器提供采样时钟,设置采样时钟在12.5M到120M可调;利用FPGA(EP3C10)设计了频率分辨率为0.028Hz,最高频率为20MHz的参考信号生成器、相敏检波器、IIR低通滤波器、相位和幅值运算模块等;以及各个部分之间接口的设计,主要是ARM和FPGA之间的接口,ARM与采样时钟生成器之间的接口等。再次,根据智能锁相放大器的控制功能,设计了系统的软件,包括在ARM平台上新添加的硬件设备FPGA和时钟生成器驱动的设计,以及基于Linux操作系统上的QT应用程序的设计等。最后,结合先前的设计,分析了实验的结果,给出了所设计的智能锁相放大器的指标。


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