數(shù)字鎖相部分資料

1、Chapter 7Lock-In Amplifier (LIA)數(shù)字(shz)鎖相部分共二十五頁7.6.4 微機化數(shù)字式相敏檢測器系統(tǒng)(xtng)組成多次采樣(ci yn)數(shù)字式相敏檢測波形共二十五頁數(shù)字(shz)鎖相放大器基于模擬鎖相放大器和正交矢量鎖相放大器理論(lln)的基礎(chǔ)將ALIA中的核心相敏檢波器和低通濾波器由數(shù)字處理器 代替全數(shù)字鎖相放大器(FPGA),軟件鎖相(DSP)共二十五頁DLIA基本原理正交矢量鎖相放大器原理結(jié)構(gòu)圖 待測信號分別和兩個相正交的參考信號相乘，且參考信號與待測信號同頻，相乘后的信號分別通過兩個數(shù)字(shz)低通濾波器濾除高頻分量，得到兩個差頻分量： 同相分量

2、： 正交分量： 能夠有效克服單路鎖相放大器由于相位差所產(chǎn)生的誤差而影響幅度測量精度的問題。共二十五頁DLIA基本(jbn)結(jié)構(gòu)前置放大器抗混疊濾波器A/D采樣（采樣定理）數(shù)字相敏檢波器（PSD）窄帶低通濾波器（LBF）幅值和相位(xingwi)的計算共二十五頁基于上述DLIA原理，設(shè)其中的待測信號 為：DC為直流分量，n(t)為噪聲信號,信號與噪聲幾乎無相關(guān)性，下面的運算中，n(t)相可以忽略；同時，設(shè)參考序列為與待測信號同頻的正弦和余弦序列。 , k=0,1,2.M-1設(shè)采樣頻率為 ,則采樣間隔(jin g) , 對信號采樣q個周期，總采樣點數(shù)為 ，DLIA算法-數(shù)字相關(guān)(xinggun)解

3、調(diào)算法共二十五頁對輸入信號采樣得到采樣序列(xli)： (k=0,1,2.M-1)采樣后的信號分別與正交的參考序列相乘實現(xiàn)數(shù)字相敏檢波，完成互相關(guān)運算：通過低通濾波器之后： 進而有：DLIA算法-數(shù)字相關(guān)(xinggun)解調(diào)算法共二十五頁以上是一次相關(guān)運算的過程，當(dāng)x(t)為M個采樣點構(gòu)成的離散信號列數(shù)組時，對于第 ( =0,1,2.M-1 ）個采樣點，經(jīng)DLIA處理后，輸出(shch)信號的幅值，相位分別為：注意：系統(tǒng)的實時性采樣周期算法復(fù)雜度處理器速度 DLIA算法(sun f)-數(shù)字相關(guān)解調(diào)算法(sun f)共二十五頁數(shù)字(shz)鎖相與模擬鎖相的比較 性能模擬鎖相放大器數(shù)字鎖相放大器

4、設(shè)計高精度的乘法器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計困難，且核心相敏檢波器線性不易保證，動態(tài)范圍小。核心電路被DSP或微處理取代，從電路設(shè)計上得到了極大的簡化。重點在算法設(shè)計。信噪比有源模擬器件本身就是噪聲源，在放大信號的同時，噪聲和干擾同時被放大。克服了模擬器件自身影響所產(chǎn)生的諸如諧波抑制能力差，直流漂移等問題，在信號放大的同時，消除噪聲和干擾。精度很難做到Q值能高的低通濾波器，積分過程中積分時間不可能無限長，使鎖相放大器對緩變周期信號的檢測效果變差。相關(guān)算法是軟件編程所實現(xiàn)，調(diào)試方便，靈活。且精度高，穩(wěn)定度好。共二十五頁1.確定系統(tǒng)的性能指標(biāo) 放大微小信號并抑制噪聲的能力 信噪改善比 測量精度 頻率(pnl)

5、分辨率功率信噪改善比： （1）低通濾波器是整個解調(diào)算法中運算量最大部分，其性能的優(yōu)劣直接影響鎖相放大器的信噪改善比。鎖相放大器的等效噪聲帶寬取決于低通濾波器的帶寬Be.基于DSP數(shù)字(shz)鎖相放大器的設(shè)計共二十五頁窄帶低通數(shù)字濾波器的設(shè)計： FIR濾波器 （2）采用頻率。合理地選擇應(yīng)該滿足 ,在 時，對信噪比改善的效果下降。 （3）DLIA算法的測量精度和頻率分辨能力，與采樣點數(shù)M（即對應(yīng)著數(shù)據(jù)長度）正相關(guān)。理論上隨著采用點數(shù)的增加，輸出信號的信噪改善比應(yīng)該越來愈好，輸出信號越精確。但是當(dāng)采樣點數(shù)過多時，數(shù)值計算帶來的舍入誤差被逐漸積累，信號的不確定度反而會增加。因此，實際中要兼顧速度與精

6、度，適當(dāng)(shdng)選取采樣點數(shù)。 基于(jy)DSP數(shù)字鎖相放大器的設(shè)計共二十五頁2.核心算法設(shè)計與驗證 采樣頻率 采樣點數(shù) 數(shù)字濾波器參數(shù) 檢驗：放大器處理(chl)信噪比能力；幅值精度；動態(tài)范圍 用MATLAB仿真。 基于DSP數(shù)字(shz)鎖相放大器的設(shè)計共二十五頁3.硬件設(shè)計和軟件設(shè)計選擇控制器，程序優(yōu)化正交參考序列的生成(1)查表法（其生成波形的準(zhǔn)確性由查找表的長度和精度確定）,快速，及時(jsh)，精度有限。(2)泰勒級數(shù)展開法（由正弦函數(shù)直接產(chǎn)生），占用存儲空間小，精度高，除法多，消耗DSP運算時間。4.性能檢測抗噪聲測試，幅值準(zhǔn)確度測試，穩(wěn)定度測試基于(jy)DSP數(shù)字鎖相

7、放大器的設(shè)計共二十五頁77 鎖定(su dn)放大器性能指標(biāo)與動態(tài)協(xié)調(diào)7.7.1 LIA的主要(zhyo)性能指標(biāo)1過載電平OVL：使LIA任一級出現(xiàn)過載的輸入信號電平，為允許噪聲峰值2. 最小可測信號MDS(Minimum Discernible Signal)： 輸出能辨別的最小輸入信號，是測量下限。取決于系統(tǒng)漂移（溫漂、時漂）。3滿刻度輸出時的輸入電平FS：表征靈敏度,取決于增益。為允許信號峰值。4輸入總動態(tài)范圍= OVL / MDS (dB)5輸出動態(tài)范圍= FS / MDS (dB)6動態(tài)儲備= OVL / FS (dB)共二十五頁輸入總動態(tài)范圍(fnwi)（dB）=輸出動態(tài)范圍（d

8、B）+動態(tài)儲備（dB）共二十五頁4.5.2 動態(tài)范圍與頻率(pnl)的關(guān)系1. 未加濾波器2. 加BPF3. 加BRF4. 加LPF共二十五頁4.5.3 動態(tài)(dngti)協(xié)調(diào)考慮(kol)到PSD最易過載1. 兩種工作狀態(tài): 高穩(wěn)定態(tài)(適于低噪聲情況)，高儲備態(tài)(適于高噪聲情況)2LIA增益分配共二十五頁46 應(yīng)用(yngyng)LIA應(yīng)用中的需要考慮的幾個問題1輸入是正弦波或方波交流信號，否則需用調(diào)制或斬 波的方式將其變換成交流信號。2實際應(yīng)用中，LPF帶寬要與信號的變化速度相適 應(yīng)，盡量提高輸出的信噪比。3適當(dāng)?shù)胤峙銵IA的交流增益和直流增益，噪聲不嚴(yán)重 應(yīng)使LIA工作在高穩(wěn)定態(tài)；如果噪

9、聲嚴(yán)重，必須使 LIA協(xié)調(diào)在高儲備態(tài)。4良好的屏蔽與接地。5參考(cnko)信號輸入必須是與被測信號相干的同頻信號。6前置級放大器必須進行低噪聲設(shè)計。共二十五頁4.6.1 阻抗微小(wixio)變化的測量應(yīng)用：測量小電容、小電感、小電阻變化，及溫度(熱電阻)、位移、振動、微壓等。注意：克服(kf)分布參數(shù)的影響。共二十五頁分析(fnx)開關(guān)特性及注入電流的影響分析(fnx)分布電容的影響或運放橋80年代后用變壓器橋共二十五頁4.6.2 放大器噪聲系數(shù)測量(cling)1K打向A：2K打向B：3計算(j sun)放大器的噪聲系數(shù)共二十五頁4.6.3 其它(qt)應(yīng)用1. 半導(dǎo)體PN結(jié)電容測量(c

10、ling)2. 偏壓光吸收測量偏壓振蕩時，樣品的光吸收參數(shù)隨之振蕩。共二十五頁3. 斬波盤光調(diào)制(tiozh)光吸收測量應(yīng)用于不能加偏壓或光吸收參數(shù)對偏壓不敏感的場合。斬波盤等距開槽，馬達(md)轉(zhuǎn)速可變。共二十五頁4. 振動(zhndng)分析測定機械設(shè)備的共振頻率、振幅(zhnf)、彈性分量和阻尼系數(shù)等。共二十五頁內(nèi)容摘要Chapter 7。能夠有效克服單路鎖相放大器由于相位差所產(chǎn)生的誤差而影響幅度測量精度的問題。A/D采樣（采樣定理）。同時，設(shè)參考序列為與待測信號同頻的正弦和余弦序列。對輸入信號采樣得到采樣序列：。采樣后的信號分別與正交的參考序列相乘實現(xiàn)(shxin)數(shù)字相敏檢波，完成互相關(guān)運算：。窄帶低通數(shù)字濾波器的設(shè)計：