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基于FPGA的数字锁相放大器研究

杨俊义  
【摘要】:锁相放大器是用于检测微弱信号的装置,具有检测能力强、通用性强、可靠性高等优点,因而在微弱信号检测中有着广泛应用。随着数字处理技术的发展,出现了数字锁相放大器,数字锁相放大器克服了模拟锁相放大器的温漂和其他非理想的低频特性,极大改善了锁相放大器的性能,使锁相放大器的研究发展和应用得到了很大提高。 本文在调研了市场常见的数字锁相放大器的基础上,结合实验室已有的研究成果,针对其中的不足之处进行改进,完成了一款基于FPGA的数字锁相放大器,并对其进行了全面而深入的分析和测试。 等效输入噪声是数字锁相放大器的重要指标,本文从前置放大器、AD模块、数字处理模块和DA模块等四个部分分别进行了分析,分析了各个模块对系统噪声影响,不但实测得到了噪声性能,而且通过分析明确了噪声的来源,这对以后的噪声性能改进有重要意义。并测得在在前置放大器增益为34 dB的情况下系统的零输入等效噪声可达到3.5 nV/√Hz,但是其噪声量是随着输入信号的频率和幅度的增大而增大,通过分析和实测验证这是由于AD采样时钟抖动引起的,同样DA产生载波的过程中也会有这种现象,这种现象可以通过采用高质量的专用时钟系统进行消除。 同时对系统的整体性能进行了全面的测试,包括前置放大器的特性、等效输入噪声、线性度、动态范围和温度特性。其中等效输入噪声在长时间内具有稳定性,系统具有良好的解调线性度,在较小解调带宽的下系统具有100 dB以上的动态范围。通过各模块的温度特性的测试,发现系统中前置放大器的增益温漂最大,是系统温漂的主要来源,并测试得到在不含前置放大器和包含前置放大器两种情况下系统的整体温漂,分别为120 ppm/℃和-880 ppm/℃。并将测试结果与商用锁相放大器SR844进行了对比,发现其不但在关键性能上优于或相当于SR844,而且在功耗、重量和体积方面有很大优势。


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