近紅外光譜儀鎖相放大檢測電路的設計與應用

近紅外光譜儀鎖相放大檢測電路的設計與應用

1近紅外光譜提取電路近紅外光譜分析是利用近紅外譜區(qū)域（波長范圍約為0.8-2.5m）中的物質信息對有機物質進行定性和定量分析的技術。廣泛應用于農業(yè)、紡織、制藥、醫(yī)藥等領域。近紅外光譜測量屬于微弱信號檢測范疇,物體在近紅外波段吸收系數(shù)小,光譜重疊現(xiàn)象嚴重,故對儀器的信噪比提出很高的要求。鎖相放大技術是檢測淹沒在噪聲中微弱信號的重要手段,1962年,美國EG&GPARC(SIGNALRECOVERY公司的前身)的第一臺鎖相放大器(Lock-inAmplifier,簡稱LIA)的發(fā)明,使微弱信號檢測技術得到標志性的突破,極大地推動了基礎科學和工程技術的發(fā)展。鎖相放大器根據(jù)相關器中相敏檢波器的不同,分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器。模擬鎖相放大器的相敏檢波器是模擬乘法器,而數(shù)字鎖相放大器用數(shù)字信號處理的方法實現(xiàn)相敏檢波的功能。傳統(tǒng)的模擬鎖相放大器由于各元件間分布電容和運放參數(shù)的不匹配不可避免的引入噪聲,噪聲經(jīng)放大后嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性;數(shù)字鎖相放大器對AD芯片的轉換速度和微處理器的處理速度要求較高,后期用復雜算法實現(xiàn)信號和參考信號的互相關運算,運算量較大。論文設計了一種近紅外光譜提取電路,該電路采用模擬和數(shù)字相結合的鎖相放大技術實現(xiàn)光譜信號的提取,即作為核心的相敏檢波器用模擬乘法器(即同步解調器)實現(xiàn),輸出信號經(jīng)由AD轉換和串口通訊傳入計算機,再進行后期的數(shù)字信號處理。該電路不需要高速的AD轉換芯片和微處理器,簡化了后期復雜運算,同時由于集成度高,在精度和穩(wěn)定度上比模擬鎖相放大器有明顯進步。在將該電路應用于以PbS做傳感器的濾光片型光譜儀平臺時,儀器信噪比達到73dB,遠優(yōu)于原有系統(tǒng)。2鎖相放大器提取噪聲鎖相放大器是利用相敏檢波器對輸入信號和被移相的與調制信號同頻的參考信號進行相敏檢測,實現(xiàn)頻譜搬遷過程,再經(jīng)過低通濾波器將噪聲濾除,使輸出對信號的幅度和相位都敏感,達到鑒幅和鑒相的目的。一般鎖相放大器由三部分組成:信號通道、參考通道和相關器。信號通道的作用是將伴有噪聲的輸入信號放大,并經(jīng)過濾波或選頻對信號通帶以外的噪聲進行初步去除;參考通道的作用是提供一個與輸入信號同相的方波;相關器是一種完成被測信號與參考信號兩者互相關函數(shù)運算的電子線路,從而實現(xiàn)頻率由交流到直流的變換。3電路系統(tǒng)設計3.1前置放大電路輸入光為光源照射樣品后的反射(或透射)光強,系統(tǒng)采用PbS作為光電傳感器,將所需近紅外波段的輸入光信號轉換為電信號。由于傳感器具有直流偏壓,后續(xù)的放大電路也會帶來不可避免的閃爍噪聲,所以直接測量所得的直流信號會被淹沒在強大的背景噪聲下。在輸入光與傳感器之間加入由無刷直流電機驅動的斬光盤,可以對光信號進行頻率調制,照射傳感器后得到具有一定頻率的交流信號,避開對直流信號的測量。信號通道由前置放大器和帶通濾波器組成,其作用是將弱信號放大到足以推動相關器工作的電平,并兼有抑制和濾除部分干擾及噪聲的功能,從而擴大儀器的動態(tài)范圍。前置放大器是鎖相放大的第一級,由于被測信號很弱,前置放大器必須具備低噪聲高增益的特點,所以對放大器和放大電路的選擇尤為關鍵。系統(tǒng)選用TI公司的OPA111做前置放大器,OPA111的偏流最大不超過1pA,輸入噪聲密度為,溫漂小于,是理想的低噪聲前置放大器。由于PbS是電阻型傳感器,故輸入電壓可通過高壓偏置和取樣電阻分壓得到。在進行電路設計時,基于提高增益的穩(wěn)定性、頻率特性的平坦性和直線性的要求,還應該減少輸入輸出間的相位變化,減小輸出阻抗,系統(tǒng)采用非反轉放大電路作為前置放大電路。為增大系統(tǒng)的動態(tài)范圍,OPA111輸出的信號應經(jīng)過帶通濾波后,再進入相關器進行相敏檢波。系統(tǒng)選用TI公司的有源濾波器模塊UAF42,其內部集成了一個反向放大器和兩個積分器,組合起來可實現(xiàn)緩沖、增益、低通、高通、帶通等功能。與用運放和R、C自行搭建的濾波器相比,UAF42由于是集成化程度較高的單片結構,故具有受分布電容影響較小,不受運放頻率特性限制等優(yōu)點。根據(jù)廠方提供的仿真軟件,系統(tǒng)對UAF42的參數(shù)進行了設計,使其成為中心頻率為斬光頻率,具有一定Q值(作為鎖相放大器的輸入帶通濾波器,一般來說只需要將信號成分的三次諧波衰減到誤差以內就可以了,故對Q值要求不高),同時增益盡可能高的帶通濾波器。3.2u3000利用數(shù)字移相進行移相參考信號由外部的光耦元件提供,斬光盤的通斷產生光耦周期信號,故可做到與輸入信號同頻。傳統(tǒng)方法是將該光耦元件產生的信號直接作為參考信號輸入至相關器,然后通過調整光耦元件相對于斬光盤的位置來調整移相范圍。這種方法增加了調試難度,而且調節(jié)精度較低。系統(tǒng)增加了一路數(shù)字移相電路,該數(shù)字移相電路由異或門、可重復觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、與非門和D觸發(fā)器組成,如圖2所示。MC14528的兩路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分別提取輸入信號的上升沿和下降沿,通過調節(jié)滑動變阻器可對輸入信號前后沿分別進行延時,配合D觸發(fā)器實現(xiàn)電路移相的功能。該移向電路簡單可靠,可以實現(xiàn)0到180度的無極調節(jié);由于可以分別對前后沿進行操作,還可以實現(xiàn)對脈寬的調節(jié)。3.3運放和開關式乘法器同步檢波器ad30相敏檢波器作為鎖相放大技術中的乘法器,是整個系統(tǒng)的靈魂,它的線性度和動態(tài)范圍決定了系統(tǒng)的弱信號檢測水平。系統(tǒng)選用平衡調制解調器AD630作為相敏檢波器件,如圖3所示,AD630和運放連接構成相敏檢波和低通濾波的功能。將運放A的輸入端接信號通道,將比較器的輸入端接同步參考信號,則基于同步解調原理,參考信號同步的選通和關斷運放A,使得AD630可作為鎖相放大器中的同步檢波器使用。AD630等效于將兩片運放和開關式乘法器集成在一個芯片內,實現(xiàn)了高精度解調,動態(tài)范圍達到100dB。設斬光盤斬光頻率為,被測方波的幅度為,參考信號的幅度為,則AD630的1腳輸入端信號的傅立葉級數(shù)為:AD630的9腳參考信號方波的傅立葉級數(shù)為:經(jīng)過相乘積分后,通過積分器的輸出信號為:式中T為積分器的時間常數(shù)。當T足夠大時,上式的積分結果為的平均值,輸出正比于被測信號的幅度,而且與二者的相位差有關,當調整相位差時,為最大值,此時的運放的輸出端得到的是一個取決于輸入信號幅值的理想的直流輸出。3.4ad轉換信號輸出鎖相放大的輸出信號,經(jīng)過AD轉換后傳入計算機進行后期的數(shù)據(jù)保存和處理。系統(tǒng)采用TI公司的工業(yè)型AD轉換芯片ADS1255,ADS1255是一款高精度的24?位?型?模數(shù)轉換器,具有高達23比特的無噪聲精度,非線性度為?0.0010%,數(shù)據(jù)采樣率最大可到30KHz。實際應用中,由于存在板間分布電容,傳輸線之間的串擾等噪聲因素,AD轉換的精度可保持在16比特,基本滿足系統(tǒng)要求。系統(tǒng)采用C8051F020與AD轉換芯片之間進行SPI通訊,獲得AD轉換輸出信號,并對信號進行預處理和保存。再將單片機與計算機之間建立串口通訊協(xié)議,最終在計算機上實現(xiàn)對信號的二次濾波和其他相關去噪處理。3.5標準板測點標準曲線圖4吸光度相對值對比實驗平臺選用以PbS做傳感器的濾光片型近紅外光譜儀,該光譜儀斬光盤斬光頻率為400Hz,穩(wěn)速達到?1%,可測量波長1680nm-2350nm之間分立的12個波長,針對每一個波長點分別測量標準板的吸光度相對值(即兩次測量標準板吸光度的比值),每個波長采樣200個吸光度相對值數(shù)據(jù),求取平均值和標準實驗分別對原有傳統(tǒng)鎖相放大電路和新系統(tǒng)進行測量,篇幅所限,現(xiàn)僅給出波長為1680nm時,測得的200個吸光度相對值對比,如圖4所示。其中原系統(tǒng)采樣點集的平均值為0.99958,標準差為0.00167,信噪比約為55.5dB;新系統(tǒng)采樣點集的平均值為1.00007,標準差為0.00022,信噪比約為73.2dB。由圖中數(shù)據(jù)可看出,新系統(tǒng)在穩(wěn)定度和精度上均相對原系統(tǒng)有較大提高。4入移相電路分析新系統(tǒng)采用集成有源濾波器和平衡調制解調器分別實現(xiàn)帶通濾波和相敏檢波的功能,比傳統(tǒng)方法集成度高,匹配好,提高了信噪比。系統(tǒng)在參考通路加入移相電路,可實現(xiàn)0到180度無極調節(jié),與手動調