854611214基于labview的數(shù)字鎖相相放大器設(shè)計(jì)

1、1 引言 自從1962年，美國(guó)eg&g parc公司制作了第一臺(tái)鎖相放大器(lia)的后，微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)得到了突破性的發(fā)展。后來(lái)又出現(xiàn)了模擬鎖相放大器(alia) 和數(shù)字鎖相放大器(dlia) 。對(duì)于數(shù)字鎖相放大器而言，又出現(xiàn)基于單片機(jī)的dlia 和基于專用dsp的dlia 。還有基于pc 的系統(tǒng)級(jí)模塊化dlia ，這種鎖相的算法是采用c， c+等語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的。由于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在pc平臺(tái)上，所以可以使用各種仿真軟件對(duì)算法進(jìn)行研究。 虛擬儀器(virtual instruments 簡(jiǎn)稱vi)是基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化測(cè)量測(cè)試儀器，它是1986 年由美國(guó)國(guó)家儀器公司(national instrume

2、nts以下簡(jiǎn)稱ni)首先提出的。它要比傳統(tǒng)的電子儀器更為通用，在組建和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面更為靈活、更為經(jīng)濟(jì)、更能適應(yīng)迅猛發(fā)展的當(dāng)代科學(xué)技術(shù)對(duì)測(cè)量技術(shù)和測(cè)量?jī)x器不斷提出的更新并擴(kuò)展功能與性能的要求。ni 公司從一開(kāi)始就推出豐富而又簡(jiǎn)潔的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測(cè)試任務(wù)，在虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件的提示下編制不同的測(cè)試軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。 本文就是依據(jù)虛擬儀器要求和鎖相放大器的特性，詳細(xì)介紹了基于虛擬儀器的鎖相放大設(shè)計(jì)過(guò)程，應(yīng)用這一設(shè)計(jì)技術(shù)研制了l-i-100 型光信號(hào)鎖相檢測(cè)實(shí)驗(yàn)儀。這一儀器在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在微弱光信號(hào)檢測(cè)方面的應(yīng)用顯得愈加

3、重要。2 鎖相放大器原理簡(jiǎn)介2.1 鎖相放大器的基本原理 鎖相放大器是以相關(guān)檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用互相關(guān)的原理設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測(cè)儀。它是一種對(duì)檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備，利用參考信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相關(guān)，與噪聲頻率不相關(guān)，從而從噪聲中提取有用信號(hào)。它不同于一般的帶通放大器，它所輸出的信號(hào)并不是輸入信號(hào)的簡(jiǎn)單放大，而是把交流分量放大并變成相應(yīng)的直流信號(hào)輸出。是從強(qiáng)噪聲中提取弱信號(hào)的重要手段。在國(guó)外常把這類儀器稱為鎖定放大器(iock-in amplifier) 。可理解為:把待測(cè)信號(hào)中與參考信號(hào)同步的信號(hào)放大并檢測(cè)出來(lái)。2.2 傳統(tǒng)鎖相放大器的構(gòu)成原理 圖1為典型的鎖相放大器原

4、理構(gòu)成圖。從這個(gè)原理圖可看出一般鎖相放大器的組成分為三部分:信號(hào)通道、參考通道和相關(guān)器(包括直流放大器部分)。 圖1 經(jīng)典的鎖相放大器原理構(gòu)成圖 被檢測(cè)的信號(hào)往往是很微弱的，并且伴隨的噪聲很大。信號(hào)通道的作用是將伴有噪聲的微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相關(guān)器工作的電平，并兼有抑制和濾除部分干擾及噪聲功能，從而擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍。因此信號(hào)通道位于相關(guān)器之前，它由輸入變壓器、低噪聲前置放大器、各種功能的有源濾波器和主放大器等組成。 互相關(guān)接收除被測(cè)信號(hào)外，還有一個(gè)參考信號(hào)。通常鎖定放大器的參考通道輸出是和信號(hào)同步的對(duì)稱方波或正弦波，用以驅(qū)動(dòng)相關(guān)器的場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)。參考通道主要由觸發(fā)電路、倍頻電路、相移電路、

5、方波形成電路及驅(qū)動(dòng)電路組成。參考觸發(fā)信號(hào)可在儀器內(nèi)部產(chǎn)生，也可從外部輸入，大部分產(chǎn)品由外部輸人。輸入波形可以是正弦波、方波、三角波、脈沖波等各種周期信號(hào)。 相關(guān)器是一種完成被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)兩者互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算的電子線路。它必須具有動(dòng)態(tài)范圍大、漂移小、時(shí)間常數(shù)可調(diào)、線性好、增益穩(wěn)定和曲率范圍寬等性能。由相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，需要一個(gè)乘法器和積分器實(shí)現(xiàn)這一數(shù)學(xué)運(yùn)算，從理論上講用一個(gè)模擬乘法器和一個(gè)積分時(shí)間為無(wú)窮大的積分器，就可以把深埋在任意噪聲中的微弱信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。2.3 鎖相放大器的特性 目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的鎖定放大器的等效噪聲帶寬在數(shù)量級(jí)，少數(shù)的可達(dá)到，信號(hào)帶寬。的數(shù)值表明，儀器具有十分窄的信

6、號(hào)和噪聲帶寬。如果工作頻率，仿照通常帶通濾波器q值的定義，則鎖定放大器的等效q值為， 這是常規(guī)濾波器無(wú)法達(dá)到的。在鎖定放大器中被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)是嚴(yán)格同步的，它不存在頻率穩(wěn)定性問(wèn)題，所以可把它看成一個(gè)跟蹤法波器。它的等效q 值由低通濾波器的積分時(shí)間常數(shù)決定，所以對(duì)元件和環(huán)境的穩(wěn)定性要求不高。 根據(jù)白噪聲電壓與噪聲帶寬平方根成正比，如熱噪聲電壓為。此結(jié)果表明，鎖定放大器使信噪比提高了80db以上。這足以表明，采用相關(guān)技術(shù)所設(shè)計(jì)的鎖定放大器具有很強(qiáng)的抑制噪聲能力。 目前鎖定放大器有如下特點(diǎn):極高的放大倍數(shù)，若有輔助前置放大器，總增益可達(dá)10(即220db) ，能檢測(cè)極微弱信號(hào);交流輸入、直流輸出，

7、其直流輸出電壓正比于輸入信號(hào)幅度及被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相位才差的余弦;滿刻度靈敏度達(dá)v 、nv ， 甚至于pv 量級(jí);非相干信號(hào)輸入過(guò)載電壓可達(dá)60db以上，即噪聲大于信號(hào)數(shù)千倍以上時(shí)仍能正常檢測(cè)，鎖定放大器具有極強(qiáng)的抗噪聲性能。3 在labview 虛擬儀器中的鎖相放大器設(shè)計(jì) 利用lab view來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖相電路，主要是要掌握l(shuí)abview圖形化編程特點(diǎn)，因?yàn)槭怯密浖?lái)實(shí)現(xiàn)電路，就必須根據(jù)實(shí)際電路的功能，把它抽象為相應(yīng)的邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。又因labview的程序可以嵌套，所以在實(shí)現(xiàn)時(shí)可將其各個(gè)功能分別實(shí)現(xiàn)，然后以調(diào)用子程序的方式把它們組和在一起，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)計(jì)出一個(gè)大的框圖，大的框圖由多個(gè)子框圖構(gòu)

8、成。 3.1 虛擬鎖相放大器的設(shè)計(jì)要求 由于數(shù)字式鎖相放大器具有帶寬大、工作穩(wěn)定、截至頻率低、響應(yīng)速度快等功能，基本能精確地測(cè)量被淹沒(méi)在噪聲和干擾背景中的正弦波或方波微弱信號(hào)。因此，要大大提高儀器的過(guò)載能力和動(dòng)態(tài)范圍，減小直流漂移。同時(shí)該虛擬儀器要有一定的檢測(cè)靈敏度。 設(shè)計(jì)的虛擬鎖相放大器要能夠采集待測(cè)數(shù)據(jù)，并將其放大，作模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行處理并濾除噪聲。在本設(shè)計(jì)中，采用pci-6221型多功能卡作為信號(hào)前放、采樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入labview平臺(tái)，進(jìn)行鎖相放大算法處理。3.2 虛擬鎖栩放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程 (1)前面板的設(shè)計(jì) 首先要設(shè)計(jì)一個(gè)前面極，前面板包括信號(hào)、乘法器、

9、低通撞波器、加法器、輸出信號(hào)幾個(gè)部分?？丶怯脩糨斎霐?shù)據(jù)到程序的接口，而顯示是輸出程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接口，所以二者缺一不可。比如:要做信號(hào)這一部分，我們要在控件選板里選擇數(shù)值這一項(xiàng)，在數(shù)值中選擇數(shù)值輸入控件，把他放在適當(dāng)位置，并且把名字改為頻率。同樣再放一個(gè)數(shù)值輸入控件作為幅值。在波形選項(xiàng)里面選擇波形圈，調(diào)整度，如圖2(上)所示。然后用同樣的方法就可以做出前面板的其它幾個(gè)部分，如圖2(下)所示。這樣前面板就完成了。 (2) 程序框圖設(shè)計(jì) 將己有的各項(xiàng)連接起來(lái)就可以組成程序框圖了。最后在結(jié)構(gòu)圖中選擇一個(gè)結(jié)構(gòu)就可以執(zhí)行了。它的程序代碼如下圖3:3.3 程序測(cè)試 經(jīng)測(cè)試，頻譜分布結(jié)果如下面圖4:3.4

10、虛擬鎖相放大器的設(shè)計(jì)結(jié)果 通過(guò)詳細(xì)的研究設(shè)計(jì)，最終完成的虛擬鎖相放大器如圖所示。 (1)程序圖如下圖5: (2)界面截圖如圖2( 下): 圖2 labview面板圖圖3 基于la bview的鎖相算法程序代碼圖4 程序測(cè)試頻率分布圖5 虛擬鎖相放大器程序框圖3.5 應(yīng)用 基于這一設(shè)計(jì)我們研制了一臺(tái)l-i-100型光信號(hào)鎖相檢測(cè)實(shí)驗(yàn)儀，系統(tǒng)全部采用計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)，同時(shí)可以含有噪聲，這個(gè)信號(hào)送入實(shí)驗(yàn)箱中的發(fā)光環(huán)節(jié)中，光電探測(cè)器接受到變化的光信號(hào)之后，將這個(gè)信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)行濾液、乘法運(yùn)算、再進(jìn)行低通濾波，再送入顯示環(huán)節(jié)。系統(tǒng)構(gòu)成和系統(tǒng)操作界面如下圖6所示: 儀器的主要技術(shù)指標(biāo): (1)檢測(cè)精度:0.5% (2)鎖相頻率:0.0lhz到1khz (3 )相位精度:0.1%(對(duì)應(yīng)100hz) (4) 放大倍數(shù): 100/1000 (5) 光信號(hào)輸出頻率:0.01hz 到50khz (6)a/d精度16bit( 1/64k) (7)轉(zhuǎn)換速度100khz/s 圖6 系統(tǒng)構(gòu)成及操作界面 4 結(jié)束語(yǔ) 本