數(shù)字鎖相放大器在微弱光電信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用研究

向 臘，李娟娟

（懷化學(xué)院，懷化 418000）

數(shù)字鎖相放大器是一種以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的鎖相放大器。按照數(shù)字化的程度，鎖相放大器分為模擬鎖相放大器，數(shù)?；旌湘i相放大器，數(shù)字鎖相放大器。一般的鎖相放大器主要有振蕩器，混頻器，濾波器組成。數(shù)字鎖相放大器實(shí)現(xiàn)了混頻器和濾波器的全數(shù)字化。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷提高，數(shù)字鎖相放大器逐漸取代傳統(tǒng)的模擬鎖相放大器。因?yàn)樾盘?hào)處理數(shù)字化，數(shù)字鎖相放大器具有集成度高，配置方便，可在線升級(jí)等等特點(diǎn)，所以在微弱光電信號(hào)檢測(cè)中應(yīng)用數(shù)字鎖相放大器，能夠通過(guò)有效提高信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確度及信號(hào)配置合理性，從而促進(jìn)光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)升級(jí)。

1 數(shù)字鎖相放大器的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)

1.1 結(jié)構(gòu)

數(shù)字鎖相放大器包括很多控制器、信號(hào)輸入通道及信號(hào)檢測(cè)儀器，具體有信號(hào)輸入通道、參考輸入通道、數(shù)字相敏檢波器、數(shù)字低通濾波器、輸出微處理器和微控制器等，因此與其他信號(hào)檢測(cè)器相比，器信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確度更高。

1.2 優(yōu)勢(shì)

第一，因?yàn)閿?shù)字鎖相放大器沒(méi)有將直流的放大器放到輸出通道中，所以不但避免了直流放大器不穩(wěn)定性所造成的位移干擾，以及溫度變化所造成的信號(hào)干擾等，提高了信號(hào)的輸出效率；第二，能夠有效減少信號(hào)副值及頻率檢測(cè)的誤差，因?yàn)閿?shù)字鎖相放大器在溫度計(jì)時(shí)間變化下，內(nèi)部晶振時(shí)鐘穩(wěn)定性依然保持，減少了調(diào)制信號(hào)和參考信號(hào)號(hào)的不穩(wěn)定因素，從而提高了檢測(cè)的穩(wěn)定性，使數(shù)字信號(hào)處理單元能夠及時(shí)完成鎖相功能，準(zhǔn)確的檢測(cè)出微弱光電信號(hào)的副值及頻率；第三，采用數(shù)字鎖相放大器的高性能的正交解調(diào)技術(shù)，能夠使微弱信號(hào)檢測(cè)精度能得到很大程度上的提高；第四，隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理單元的性價(jià)比提高，使數(shù)字鎖相放大器的性價(jià)比也得到相應(yīng)的提高，數(shù)字鎖相技術(shù)將會(huì)更深入地影響未來(lái)的測(cè)量技術(shù)。

2 數(shù)字鎖相放大器在微弱光電信號(hào)檢測(cè)中的檢測(cè)原理

2.1 自相關(guān)函數(shù)及自相關(guān)檢測(cè)原理

自相關(guān)函數(shù)是指不同時(shí)間領(lǐng)域，使用同一個(gè)函數(shù)進(jìn)行表達(dá)的方式，通常將隨機(jī)信號(hào)設(shè)為f（t），

則f（t）的自相關(guān)函數(shù)表達(dá)式如下：

式中，T表示為積分時(shí)間，信號(hào)為f（t），當(dāng)f（t）為周期信號(hào)時(shí)T為信號(hào)周期，當(dāng)f（t）為單個(gè)脈沖有限長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)時(shí)T趨向于無(wú)窮大的，積分平均值趨向于0。

2.2 互相關(guān)函數(shù)及互相關(guān)檢測(cè)原理

分別將兩個(gè)不相關(guān)的函數(shù)設(shè)為f（t）和g（t），具體的相互相關(guān)函數(shù)表達(dá)式如下：

式中，假設(shè)信號(hào)x（t）被外界噪音干擾，形成復(fù)合信號(hào)f（t）和 g（t），則 ：

圖1 互相關(guān)函數(shù)檢測(cè)原理圖

2.3 數(shù)字信號(hào)解調(diào)基本原理

微弱信號(hào)是通過(guò)放大電路進(jìn)行放大后進(jìn)行檢測(cè)的，其原理是指通過(guò)放大電路將信息放大，以便于信號(hào)的傳輸?shù)娇蓹z測(cè)的范圍內(nèi)，然后通過(guò)信號(hào)模擬來(lái)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后使用FPGA 芯片處理信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)整，輸入信號(hào)可設(shè)為Y（t），具體表達(dá)式為：

式中，X（t）表示為等待檢測(cè)的信號(hào)；N（t）表示為隨機(jī)的噪音信號(hào)。

3 數(shù)字鎖相放大器仿真

3.1 信號(hào)設(shè)置參數(shù)

可以利用Matlab中的Simulink工具箱（一種信號(hào)檢測(cè)軟件），驗(yàn)證數(shù)字鎖相放大器仿真模型，并檢測(cè)出仿真模型的信號(hào)設(shè)置參數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 信號(hào)設(shè)置參數(shù)

具體數(shù)字鎖相放大器仿真驗(yàn)證結(jié)果顯示，信號(hào)頻率在90、副值在9時(shí)的相位為1，能夠清晰的看見(jiàn)信號(hào)所在位置，證實(shí)了數(shù)字鎖相放大器能夠檢測(cè)到弱信號(hào)。

3.2 信號(hào)檢測(cè)電路原理

信號(hào)檢測(cè)的步驟，通常情況下先檢測(cè)調(diào)制光信號(hào)，然后依次檢測(cè)電流信號(hào)、電壓信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，相關(guān)檢測(cè)器具及電路包括光電探測(cè)器、前置IV轉(zhuǎn)換電路、二級(jí)放大及抗混疊濾波電路和AD轉(zhuǎn)換電路，具體檢測(cè)原理過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 檢測(cè)電路原理示意圖

從圖2中不難看出調(diào)制光信號(hào)可以通過(guò)光電探測(cè)器輸出、檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，而電流信號(hào)則可以通過(guò)前置IV轉(zhuǎn)換成電壓型號(hào)，最終通過(guò)二級(jí)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字壓信號(hào)。

3.3 硬件電路整體結(jié)構(gòu)

硬件電路整體結(jié)構(gòu)通常由一級(jí)放大電路、二級(jí)放大電路、抗混疊濾波電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路及 FPGA 數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)組成，分別處于硬件實(shí)物的上中下三層，其中一級(jí)放大電路處于第一層；二級(jí)放大電路、抗混疊濾波電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路處于第二層；FPGA 數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)組成處于第三層。整體硬件電路系統(tǒng)中所使用的電源為9V干電池，標(biāo)準(zhǔn)電壓應(yīng)控制在5V的標(biāo)準(zhǔn)上。

4 數(shù)字鎖相放大器在微弱光電信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用驗(yàn)證

4.1 硬件放大電路測(cè)試

光電信號(hào)在進(jìn)行測(cè)試時(shí)一般都需要先輸入探測(cè)器，然后由探測(cè)器輸出到一級(jí)信號(hào)放大器電路中，以同時(shí)進(jìn)行電流信號(hào)放大和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換，而電流信號(hào)在放大的同時(shí)也放大了隨信號(hào)輸入的噪聲，從而減小了信號(hào)的強(qiáng)度，所以在一級(jí)信號(hào)放大器線路進(jìn)行信號(hào)輸入時(shí)要特別注意噪音的去除，故需要提高信號(hào)放大器的去噪能力。具體測(cè)試如下：第一，將一級(jí)放點(diǎn)電路性能測(cè)試作為硬件放大電路測(cè)試的重點(diǎn)，并使用數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量；第二，對(duì)于測(cè)試的電流應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)-2pA電流，測(cè)試時(shí)還需要在鋁盒中放置電路，已實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信號(hào)的屏蔽；第三，通過(guò)對(duì)于很多微弱的光電信號(hào)要使用BNC接頭信號(hào)線將其引出，然后進(jìn)行信號(hào)副值及頻率等參數(shù)檢測(cè)；第三，控制好測(cè)試的次數(shù)及時(shí)間，通常測(cè)試的頻率為10次/組，測(cè)試的時(shí)間為5s/次，組件測(cè)試的時(shí)間間隔為1小時(shí)，測(cè)試組數(shù)一共為10。

4.2 光電檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證

4.2.1 在FPGA 數(shù)字信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用驗(yàn)證

應(yīng)用驗(yàn)證中所使用設(shè)備包括型號(hào)為ATF20B DDS的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、相位為8位的A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA最小系統(tǒng)和USB Blaster等。具體應(yīng)用驗(yàn)證步驟如下：

第一，利用型號(hào)為ATF20B DDS的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，檢測(cè)信號(hào)并將信號(hào)副值輸出，檢測(cè)應(yīng)用結(jié)果顯示信號(hào)副值為5Vpp，頻率為1kHz，待測(cè)信號(hào)幅度為

100Vpp，信號(hào)類(lèi)型為隨機(jī)噪聲信號(hào)，在信噪比為：

第二，將兩個(gè)不同類(lèi)型的信號(hào)疊加，并通過(guò)BNC信號(hào)將兩種不同信號(hào)輸入AD轉(zhuǎn)換器，然后轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號(hào)量，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、疊加和過(guò)濾，得出副值為1.5V。第三，采集信號(hào)樣本，并將樣本信號(hào)通過(guò)USB Blaster輸入上位機(jī)，然后使用SignalTapⅡ工具觀察樣本信號(hào)的波形圖，最后通過(guò)數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)幅值[8]。

4.2.2 光電檢測(cè)系統(tǒng)整體測(cè)試

第一，檢測(cè)過(guò)程中所使用的電流為標(biāo)準(zhǔn)光電信號(hào)1pA電流，檢測(cè)所使用斬光器調(diào)制頻率應(yīng)控制在1kHz的標(biāo)準(zhǔn)上，并將需要檢測(cè)的信號(hào)輸入數(shù)字鎖相放大器中等待檢測(cè)；第二，使用數(shù)字鎖相放大器中的光電檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)，并將檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)與已經(jīng)確定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的數(shù)字鎖相放大器光電檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效果。經(jīng)驗(yàn)證結(jié)果顯示本文設(shè)計(jì)的光電檢測(cè)系統(tǒng)，其測(cè)試幅值誤差在小于0.5%的范圍內(nèi)，頻率測(cè)試誤差小于0.2%的范圍內(nèi)，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的數(shù)字鎖相放大器應(yīng)用于微弱光電信號(hào)檢測(cè)中，具有顯著的微弱光電信號(hào)檢測(cè)效果，能夠有效減小副值及頻率的檢測(cè)誤差，從而提高檢測(cè)準(zhǔn)確度[9]。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，微弱信號(hào)檢測(cè)在檢測(cè)領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，與其他檢測(cè)方式相比，其檢測(cè)準(zhǔn)確度更高，相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換性能也比較強(qiáng)，因此能夠檢測(cè)出微弱信號(hào)。如今很多噪音的發(fā)生均將很大一部分的微弱信號(hào)完全湮沒(méi)，導(dǎo)致這些微弱信號(hào)的提取難度非常高，所以要利用先進(jìn)的現(xiàn)代化技術(shù)，去完善和創(chuàng)新微弱信息檢測(cè)技術(shù)，并構(gòu)建較為完整的微弱光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，以提高微弱信號(hào)檢測(cè)水平。數(shù)字鎖相放大器是近年來(lái)一種先進(jìn)的信號(hào)檢測(cè)儀器，已經(jīng)在大信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并取得了良好信號(hào)檢測(cè)結(jié)果，因此將之應(yīng)用于微弱信號(hào)檢測(cè)中，不僅能夠提高微弱信號(hào)檢測(cè)水平，還能夠提高微弱信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確度。所以上文就數(shù)字鎖相放大器的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)，分析了數(shù)字鎖相放大器在微弱光電信號(hào)檢測(cè)中的檢測(cè)原理、數(shù)字鎖相放大器仿真、數(shù)字鎖相放大器在微弱光電信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用驗(yàn)證。

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