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数字锁相放大器的算法设计与优化

东北电力技术 2022年第1期43卷 41-44,49页

作者：苑效宁马少华董鹤楠沈阳工业大学电气工程学院辽宁沈阳110870 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院辽宁沈阳110006

数字锁相放大器以相敏检测技术为基本原理,能够准确地测量周期信号的幅值与相位信息。微弱信号中常常会包含直流分量、线性分量以及噪声分量等杂讯因素,这些杂讯均会对微弱信号中周期信号的幅度测量造成较大影响。分析微弱信号可能存在... 详细信息

数字锁相放大器以相敏检测技术为基本原理,能够准确地测量周期信号的幅值与相位信息。微弱信号中常常会包含直流分量、线性分量以及噪声分量等杂讯因素,这些杂讯均会对微弱信号中周期信号的幅度测量造成较大影响。分析微弱信号可能存在的误差,对锁相环算法进行优化设计并采用MATLAB仿真分析证明了算法的可行性。最后搭建了测试平台,通过模拟电流信号并在其中加入噪声信号,分别通过数字锁相环放大器进行幅值测量并分析,误差的大小在0.5%左右。

关键词：微弱信号检测直流分量线性分量数字锁相放大器

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基于数字锁相放大器的电涡流位移传感器

电子器件 2022年第2期45卷 445-449页

作者：李昌周松斌广东省科学院智能制造研究所广东广州510075

针对电涡流位移传感器电路结构复杂、线性度低等问题,采用数字锁相放大技术来测量传感器线圈损耗,再通过线圈损耗测量位移大小。充分利用了STM32F3系列单片机的片内资源:片内数模转换器与DMA控制器配合产生激励信号,模数转换器与DMA控... 详细信息

针对电涡流位移传感器电路结构复杂、线性度低等问题,采用数字锁相放大技术来测量传感器线圈损耗,再通过线圈损耗测量位移大小。充分利用了STM32F3系列单片机的片内资源:片内数模转换器与DMA控制器配合产生激励信号,模数转换器与DMA控制器配合采集信号,浮点运算器运行数字锁相放大器算法,最后用片内数模转换器输出线性校准后的数值,实现了一种新型的电涡流位移传感器。传感器的电路简洁,线性度优于0.51%,动态响应时间小于2 ms。

关键词：数字锁相放大器电涡流位移传感器相位测量幅度测量阻抗测量

基于数字锁相放大器的主减速器微弱故障信号检测研究

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基于数字锁相放大器的主减速器微弱故障信号检测研究

作者：陈信达南京航空航天大学

学位级别：硕士

主减速器作为动力传动系统中降低转速、增大扭矩的关键部位,能精准地传递运动与动力。但是,主减速器在高转速大扭矩的环境下工作时,容易发生故障,且不易检测。无论是人为操作失误、设备老化或是生产加工问题等,主减速器长期在如此环境... 详细信息

主减速器作为动力传动系统中降低转速、增大扭矩的关键部位,能精准地传递运动与动力。但是,主减速器在高转速大扭矩的环境下工作时,容易发生故障,且不易检测。无论是人为操作失误、设备老化或是生产加工问题等,主减速器长期在如此环境下运行都将无法避免地出现故障。主减速器在工程实际中经常运行在强噪声环境中,振动源复杂,故障特征信号尤其微弱。主减速器早期故障往往难以进行有效地诊断,缺乏行之有效的检测手段。现有的检测手段存在抗噪性能弱,检测精度低以及检测稳定性不足的缺陷。因此,主减速器微弱故障信号的检测与识别对主减速器的故障诊断技术的研究和进步具有重大的意义。本文以主减速器关键旋转部件为研究对象,开展基于积分平均型数字锁相放大(Integral Average Digital Locked-in Amplification,IADLIA)算法的主减速器微弱故障信号检测方法的理论研究和试验分析,结合数字锁相放大算法和故障信号检测,发挥数字锁相放大算法在微弱信号检测中的优势,扩展其到微弱冲击信号检测的应用中,研究一种高效稳定的主减速器故障微弱信号检测方法。本文的主要研究工作如下:(1)系统讨论了主减速器故障诊断方法和基于锁相放大算法的微弱信号检测研究现状,并从本课题研究对象出发,分析了数字锁相放大算法在强噪声环境下主减速器故障微弱信号检测的优劣势;针对传统数字锁相放大算法结构和应用上存在的缺陷,提出了一种积分平均型数字锁相放大算法,为课题所关注的微弱单频信号和微弱故障信号检测提供了研究思路。(2)全面分析了全数字锁相放大算法的理论依据和现存缺陷,针对现存缺陷提出了对应的解决方案,并设计了针对主减速器故障微弱信号的检测系统。(3)讨论了积分平均型数字锁相放大算法的微弱信号检测理论,分析了所提方法在多元影响因素作用下的微弱信号检测精度和输出稳定性,并讨论了数字锁相放大算法从单频信号检测扩展到微弱冲击信号的检测过程。(4)搭建了基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的硬件实现平台和多频信号检测硬件系统,深入研究了所提方法的FPGA实现原理和过程,给出了所提信号检测算法的硬件实现方法,实现了FPGA的冲击特征信号在线检测,并通过半物理仿真试验验证了硬件系统的有效性。(5)采用两个主减速器关键部件的典型故障试验案例验证所提算法。试验结果表明,本文所做研究工作能够有效地实现故障微弱信号的检测,同时,对比传统数字锁相放大算法,所提方法更能适用于强噪声背景下的主减速器故障微弱信号的检测。

关键词：微弱信号检测数字锁相放大器互相关理论故障特征信号检测现场可编程逻辑门阵列

基于改进数字锁相放大器的激光气体浓度检测平台设计与实现

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基于改进数字锁相放大器的激光气体浓度检测平台设计与实现

作者：姜茂文华中科技大学

学位级别：硕士

油浸式变压器发生故障时,绝缘油会产生多种气体,其浓度能反映变压器的故障类型。然而市面上常规的激光气体检测平台往往存在检测种类单一、检测范围窄以及检测精度低等问题,并不适用于变压器油中气体浓度检测。针对这些问题,本文结合TD... 详细信息

油浸式变压器发生故障时,绝缘油会产生多种气体,其浓度能反映变压器的故障类型。然而市面上常规的激光气体检测平台往往存在检测种类单一、检测范围窄以及检测精度低等问题,并不适用于变压器油中气体浓度检测。针对这些问题,本文结合TDLAS检测原理,设计了一种基于改进数字锁相放大器的激光气体浓度检测平台。结合变压器油中气体的浓度检测应用场景,对检测平台的需求进行分析。在此基础上,从激光器驱动、高速数据采样及传输和数字锁相放大器三个方面,完成了基于STM32和FPGA整体硬件平台的设计和软件总体方案的规划。针对单个激光器无法覆盖油中所有气体的特征吸收谱线的问题,设计了一种基于恒温控制的激光器分时电流调制方法。通过单路激光器温度的分时调控和多路激光器分时复用的方式,实现了六种气体吸收谱线的扫描。并设计了激光器驱动实验,验证了电流调制技术和恒温控制的稳定性。为提升数模转换后的信噪比,设计了高速数据采样的电路;同时为提高采样精度的利用率,结合高通滤波电路,设计了一种自适应放大倍率的前置放大电路,可以动态调节采样信号幅值,解决了浓度范围过宽时信号无法还原的问题。最后基于TCP/IP网络协议,结合多路数据并行存取方法,解决了上位机数据监控和远程控制问题。针对气体浓度计算的问题,设计了基于多级滤波结构的数字锁相放大器。该结构通过CIC滤波器、S-G滤波器及FIR滤波器三者相结合的方式实现,完成了对原始信号的抽取、降噪和滤波的处理,提高了数字锁相放大器对微弱信号的处理能力。最后结合最小二乘法完成了对气体浓度和谐波比值的拟合,实现了气体浓度的反演。搭建了气体检测实验平台,对设计的气体浓度检测平台进行了实验验证,设计并完成了谐波提取实验、浓度拟合实验和稳定性实验。实验结果表明,浓度计算结果的波动度小于1%,其浓度拟合线性度均大于0.99,测量的气体范围满足设计需求。证实了所提激光气体浓度检测平台具有稳定性强、适应性广、可靠性好等优点。

关键词： TDLAS 数字锁相放大器气体浓度检测激光器驱动多级滤波结构

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谐振式光纤陀螺数字锁相放大器设计

浙江大学学报（工学版） 2008年第4期42卷 622-626页

作者：杨志怀马慧莲金仲和浙江大学信息与电子工程学系浙江杭州310027

介绍了基于双频率锯齿波组合调制的谐振式光纤陀螺(R-FOG)的检测原理,分析了数字系统信号相关检测的理论.通过分析陀螺输出信号的特点,利用可编程逻辑器件(FPGA)产生的同步方波进行解调,优化设计了一种用于R-FOG检测系统的数字锁相放大... 详细信息

介绍了基于双频率锯齿波组合调制的谐振式光纤陀螺(R-FOG)的检测原理,分析了数字系统信号相关检测的理论.通过分析陀螺输出信号的特点,利用可编程逻辑器件(FPGA)产生的同步方波进行解调,优化设计了一种用于R-FOG检测系统的数字锁相放大器,并分析了其相关检测的信噪比改善.应用于陀螺系统,实现了谐振频率快速、稳定的跟踪锁定.实验结果表明,设计的检测电路满足闭环反馈的精度要求,锁定时间为1.1 ms.

关键词：光电子学谐振式光纤陀螺数字锁相放大器相关检测

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一种新型数字锁相放大器的设计及其优化算法

天津大学学报 2008年第4期41卷 429-432页

作者：李刚张丽君林凌天津大学精密仪器与光电子工程学院天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室天津300072

为了提高信号的检测准确度,简化数字锁相放大器(digital lock-in amplifier,DLIA)的构建电路,将过采样技术应用到DLIA中;并对过采样引发的大存储量和大运算量问题,提出一种算法,从而有效地减小了数据的存储量和运算量.结果表明,该方法... 详细信息

为了提高信号的检测准确度,简化数字锁相放大器(digital lock-in amplifier,DLIA)的构建电路,将过采样技术应用到DLIA中;并对过采样引发的大存储量和大运算量问题,提出一种算法,从而有效地减小了数据的存储量和运算量.结果表明,该方法在不需要高性能微处理器支持的情况下,提高了DLIA的检测准确度和性价比,缩小了DLIA的体积,并可广泛应用于微弱信号的检测.

关键词：过采样数字锁相放大器高准确度优化算法

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数字锁相放大器探测微弱调制信号

激光杂志 2019年第2期40卷 49-53页

作者：毛圣源罗向东周传航南通大学江苏南通226000

在二维材料光调制光谱的信号探测过程中,由于它的调制信号十分微弱,常常淹没在反射背景和白噪声中,因此在研究的时候很难对其调制信号进行检测。为了探测微弱的调制信号,本文通过分析光调制信号的特征,结合数字锁相放大的原理,在MATLAB... 详细信息

在二维材料光调制光谱的信号探测过程中,由于它的调制信号十分微弱,常常淹没在反射背景和白噪声中,因此在研究的时候很难对其调制信号进行检测。为了探测微弱的调制信号,本文通过分析光调制信号的特征,结合数字锁相放大的原理,在MATLAB环境中实现正交数字锁相的方法,研究了光调制光谱中调制信号的提取。结果表明,平均噪声在20μV时,数字锁相放大器能够有效提取出1μV的调制信号;信号幅值、相位变化时,不影响调制信号的提取;数字锁相放大器在提取调制信号时不受到白噪声类型变化的影响,也不受到调制信号类型变化的影响;相关器中低通滤波器对数字锁相放大器的时间常数影响明显,滤波器阶数从2阶到5阶变化时,数字滤波器时间常数从0. 5 s增大到1 s,截止频率从0. 002 Hz到0. 005 Hz变化时,数字滤波器时间常数从0. 5 s减小到0. 25 s。

关键词：二维材料微弱信号噪声数字锁相放大器时间常数

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数字锁相放大器的设计与实现

数字锁相放大器的设计与实现

作者：郭璐璐大连理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：微弱信号检测数字锁相放大器 DSP 数字窄带低通滤波器

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自动频率跟踪数字锁相放大器设计

核电子学与探测技术 2014年第6期34卷 794-800页

作者：张金敏商庆健王厅长兰州交通大学机电工程学院兰州730070 兰州交通大学机电技术研究所兰州730070

在光电检测系统的设计中,往往采用锁相检测系统来消除1/f噪声和其他外部的噪音。论文是在Alter公司DSP Builder基础上设计的数字锁相放大器,同时为避免待测信号与参考信号的失配,增设了频率自动跟踪模块,从而更好地实现参考信号频率的匹... 详细信息

在光电检测系统的设计中,往往采用锁相检测系统来消除1/f噪声和其他外部的噪音。论文是在Alter公司DSP Builder基础上设计的数字锁相放大器,同时为避免待测信号与参考信号的失配,增设了频率自动跟踪模块,从而更好地实现参考信号频率的匹配,确保测量精度。经过仿真验证可行后,将编译好的程序下载到FPGA器件中,并对硬件电路进行设计和测试。实验结果表明,在待测信号的信噪比RSNR≈-10 d B时,最小检测幅值为50μV,锁频相对误差小于0.015%,待测信号幅值的测量相对误差小于0.11%。因此该自动频率跟踪数字锁相放大器可以有效实现微弱光电信号的检测。

关键词：信号检测数字锁相放大器 DSP Builder 自动频率跟踪现场可编程门阵列