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)檢測技術(shù)得到了突破性的發(fā)展。后來又出現(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 簡稱vi)是基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化測量測試儀器，它是1986 年由美國國家儀器公司(national instrume

2、nts以下簡稱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)測量技術(shù)和測量儀器不斷提出的更新并擴(kuò)展功能與性能的要求。ni 公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務(wù)，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測試任務(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)檢測方面的應(yīng)用顯得愈加

3、重要。2 鎖相放大器原理簡介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儀。它是一種對(duì)檢測信號(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。在國外常把這類儀器稱為鎖定放大器(iock-in amplifier) 。可理解為:把待測信號(hào)中與參考信號(hào)同步的信號(hào)放大并檢測出來。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)器的場效應(yīng)管開關(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)檢測出來。2.3 鎖相放大器的特性 目前國內(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)濾波器無法達(dá)到的。在鎖定放大器中被測信號(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，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來實(shí)現(xiàn)鎖相電路，主要是要掌握labview圖形化編程特點(diǎn)，因?yàn)槭怯密浖韺?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，基本能精確地測量被淹沒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靈敏度。 設(shè)計(jì)的虛擬鎖相放大器要能夠采集待測數(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 程序測試 經(jīng)測試，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 本