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FPGA主控型数字锁相放大器设计及光谱测量

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红外与激光工程 2023年第10期52卷 127-138页

作者：张雷雷曹振松钟磬黄印博袁子豪黄俊齐刚潘文雪卢兴吉中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所、中国科学院大气光学重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学研究生院科学岛分院安徽合肥230026 先进激光技术安徽省实验室安徽合肥230037 航天系统部驻绵阳地区军事代表室四川绵阳621000

针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO_(2)浓度低的特点,结合波长调制TDLAS技术,设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器,实现锁相放大和数据采集功能一体化,并将其成功应用于低浓度CO_(2)检测中。为解决低浓度CO_... 详细信息

针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO_(2)浓度低的特点,结合波长调制TDLAS技术,设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器,实现锁相放大和数据采集功能一体化,并将其成功应用于低浓度CO_(2)检测中。为解决低浓度CO_(2)吸收微弱、噪声强等问题,设计了高精度ADC模块,电压分辨率可达0.3 mV;基于DDS原理内部产生正余弦参考信号,保证谐波信号单一性,且实现参考信号频率可调节,覆盖范围1~40 kHz;改进了CIC滤波器,并通过降采样级联FIR滤波器的方式,以较少的硬件资源消耗实现窄带低通滤波,积分时间200μs~20 ms可调;基于CORDIC算法实现平方和开根运算,相较于JPL算法精度更高。为系统更加小型化,基于Qt实现上位机并结合串口通信,使锁相放大器兼具数据采集处理功能。常温常压光程30 m条件下,测量了CO_(2)在2μm波段的吸收光谱,获得波长调制吸收光谱信噪比为102.6,相较于直接吸收信噪比8.8,提高约11.7倍;设计并开展低浓度CO_(2)标定实验,获取二次谐波信号幅值和CO_(2)浓度之间的线性关系,相关度为0.996;在纯氮气条件下,利用Allan方差评估了系统性能,平均时间为2 s时,系统检测下限1.30 ppm(1 ppm=10−6),平均时间为180 s时,系统检测下限0.19 ppm;分析了系统响应时间,可在0.5 s内获取气体浓度。实验结果表明,设计的数字锁相放大器具有测量灵敏度高、参数可调节、能够实时处理和小型化的特点,可满足传输内通道中低浓度CO_(2)的检测需求。

关键词：数字锁相放大器激光传输 FPGA TDLAS 数字滤波器 CORDIC算法

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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

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利用数字锁相放大器进行谐波探测的实验研究

激光与红外 2000年第5期30卷 311-313页

作者：张临杰肖连团李昌勇李倩贾锁堂周国生山西大学电子信息技术系太原030006

利用数字锁相放大器处理光谱信号的高次谐波 ,并实现了计算机对锁相放大器的控制。通过对 Cs原子 D2 线的谐波探测 ,研究结果表明 :锁相放大器用于探测气体的高次谐波 (高于二次 )的直接吸收光谱 ,可以得到较常见的二次谐波探测更高的... 详细信息

利用数字锁相放大器处理光谱信号的高次谐波 ,并实现了计算机对锁相放大器的控制。通过对 Cs原子 D2 线的谐波探测 ,研究结果表明 :锁相放大器用于探测气体的高次谐波 (高于二次 )的直接吸收光谱 ,可以得到较常见的二次谐波探测更高的信噪比。

关键词：数字锁相放大器谐波探测计算机控制

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数字锁相放大器技术及光谱检测应用进展

测控技术 2019年第11期38卷 1-8,19页

作者：杜振辉张永明刘翰蔚王玉祥张帅天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072 天津开发区爱特网络系统有限公司天津300457

数字锁相放大器是基于互相关检测原理的微弱信号检测装置。综述了数字锁相放大器的主要设计思路,包括信号输入通道设计、算法设计、不同硬件构成设计与参考信号源设计。针对光谱分析应用,分析了动态信号检测失真、载波信号波动时的频率... 详细信息

数字锁相放大器是基于互相关检测原理的微弱信号检测装置。综述了数字锁相放大器的主要设计思路,包括信号输入通道设计、算法设计、不同硬件构成设计与参考信号源设计。针对光谱分析应用,分析了动态信号检测失真、载波信号波动时的频率跟踪、相关参数优化及性价比等关键问题及解决方案。通过数字锁相放大器关键参数指标的演进历程分析,展望了数字锁相放大器的发展与应用方向。对于数字锁相放大器的使用与研究具有较高的实用价值,对其后续的创新具有重要的参考意义。

关键词：数字锁相放大器光谱分析双相相敏检测直接数字式频率合成器频率自跟踪

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运用于MEMS磁传感器的数字锁相放大器

仪表技术与传感器 2021年第4期 57-61,111页

作者：梅晓东梁亨茂王文杰陆仲明熊斌中国科学院上海微系统与信息技术研究所微系统技术重点实验室上海200050 中国科学院大学北京100049

文中研究了用于静电驱动-电磁感应敏感的MEMS磁传感器的数字锁相放大器电路。为了对该种传感器输出自调制的信号进行解调,基于ARM微控制器设计了一种无需相位调整的双路数字锁相放大器。在参考通道的设计中,将驱动传感器处于谐振状态的... 详细信息

文中研究了用于静电驱动-电磁感应敏感的MEMS磁传感器的数字锁相放大器电路。为了对该种传感器输出自调制的信号进行解调,基于ARM微控制器设计了一种无需相位调整的双路数字锁相放大器。在参考通道的设计中,将驱动传感器处于谐振状态的正弦信号转为矩形波信号。应用电路测试结果表明:传感器输出信号的非线性度达0.23%,迟滞性误差和重复性误差分别为0.09%和0.29%。数字锁相放大器能够有效而稳定地解调MEMS磁传感器输出信号,为具有输出信号调制特点的传感器提供一种可行的数字信号处理方案。

关键词： MEMS磁传感器正交解调 STMF4处理器数字锁相放大器微弱信号检测数字信号处理

数字锁相放大器中相敏检测技术的基本原理实验

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物理实验 2018年第1期38卷 22-28页

作者：陈泽宁王自鑫贺子芸贾莲莲陈弟虎蔡志岗中山大学物理学国家级实验教学示范中心广东广州510275 中山大学电子与信息学院广东广州510275 中山大学物理学院广东广州510275

根据锁相放大技术和相敏检测技术的原理,从信号通路的角度解释相敏检测技术的时域、频域特点,剖析该技术中时间常量、滤波器陡降、动态储备3个重要参量,设计针对此3个参量的基本原理实验,并搭建教学实验平台.根据实验结果分析,论证了此... 详细信息

根据锁相放大技术和相敏检测技术的原理,从信号通路的角度解释相敏检测技术的时域、频域特点,剖析该技术中时间常量、滤波器陡降、动态储备3个重要参量,设计针对此3个参量的基本原理实验,并搭建教学实验平台.根据实验结果分析,论证了此3个参量在时域上对数字锁相放大器的测量结果造成的影响.

关键词：数字锁相放大器微弱信号检测相敏检测技术时间常量陡降动态储备