數字鎖相部分資料

1、Chapter 7Lock-In Amplifier (LIA)數字(shz)鎖相部分共二十五頁7.6.4 微機化數字式相敏檢測器系統(tǒng)(xtng)組成多次采樣(ci yn)數字式相敏檢測波形共二十五頁數字(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)的基礎將ALIA中的核心相敏檢波器和低通濾波器由數字處理器 代替全數字鎖相放大器(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構圖 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)結構前置放大器抗混疊濾波器A/D采樣（采樣定理）數字相敏檢波器（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性，下面的運算中，n(t)相可以忽略；同時，設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，總采樣點數為 ，DLIA算法-數字相關(xinggun)解

3、調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數字相敏檢波，完成互相關運算：通過低通濾波器之后： 進而有：DLIA算法-數字相關(xinggun)解調算法共二十五頁以上是一次相關運算的過程，當x(t)為M個采樣點構成的離散信號列數組時，對于第 ( =0,1,2.M-1 ）個采樣點，經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雜度處理器速度 DLIA算法(sun f)-數字相關解調算法(sun f)共二十五頁數字(shz)鎖相與模擬鎖相的比較 性能模擬鎖相放大器數字鎖相放大器

4、設計高精度的乘法器結構復雜，設計困難，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，從電路設計上得到了極大的簡化。重點在算法設計。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。相關算法是軟件編程所實現，調試方便，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 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數字(shz)鎖相放大器的設計共二十五頁窄帶低通數字濾波器的設計： FIR濾波器 （2）采用頻率。合理地選擇應該滿足 ,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M（即對應著數據長度）正相關。理論上隨著采用點數的增加，輸出信號的信噪改善比應該越來愈好，輸出信號越精確。但是當采樣點數過多時，數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(shdng)選取采樣點數。 基于(jy)DSP數字鎖相放大器的設計共二十五頁2.核心算法設計與驗證 采樣頻率 采樣點數 數字濾波器參數 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數字(shz)鎖相放大器的設計共二十五頁3.硬件設計和軟件設計選擇控制器，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)泰勒級數展開法（由正弦函數直接產生），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，幅值準確度測試，穩(wěn)定度測試基于(jy)DSP數字鎖相

7、放大器的設計共二十五頁77 鎖定(su dn)放大器性能指標與動態(tài)協(xié)調7.7.1 LIA的主要(zhyo)性能指標1過載電平OVL：使LIA任一級出現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 應用(yngyng)LIA應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，否則需用調制或斬 波的方式將其變換成交流信號。2實際應用中，LPF帶寬要與信號的變化速度相適 應，盡量提高輸出的信噪比。3適當地分配LIA的交流增益和直流增益，噪聲不嚴重 應使LIA工作在高穩(wěn)定態(tài)；如果噪

9、聲嚴重，必須使 LIA協(xié)調在高儲備態(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計。共二十五頁4.6.1 阻抗微小(wixio)變化的測量應用：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)分布參數的影響。共二十五頁分析(fnx)開關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 放大器噪聲系數測量(cling)1K打向A：2K打向B：3計算(j sun)放大器的噪聲系數共二十五頁4.6.3 其它(qt)應用1. 半導體PN結電容測量(c

10、ling)2. 偏壓光吸收測量偏壓振蕩時，樣品的光吸收參數隨之振蕩。共二十五頁3. 斬波盤光調制(tiozh)光吸收測量應用于不能加偏壓或光吸收參數對偏壓不敏感的場合。斬波盤等距開槽，馬達(md)轉速可變。共二十五頁4. 振動(zhndng)分析測定機械設備的共振頻率、振幅(zhnf)、彈性分量和阻尼系數等。共二十五頁內容摘要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(shxin)數字相敏檢波，完成互相關運算：。窄帶低通數字濾波器的設計：