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计算机测量与控制.2010.18(12) Computer Measurement &Control
设计与应用
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收稿日期:2010 06 15;修回日期:2010 07 20。基金项目:国家自然科学基金资助项目(60472023)。作者简介:吴明华(1981 ),在读研究生,主要从事检测技术与智能化仪表方向的研究。
郑 刚(1962 ),教授,博导,主要从事光电精密测试技术方向的研究。
文章编号:1671 4598(2010)12 2824 03 中图分类号:T N911 23
文献标识码:A
一种新的应用于锁相放大器的
数字相关电路结构设计
吴明华1,郑 刚1,江 斌2,李孟超1,陈璐玲1
(1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093;2 上海电缆研究所,上海 200093)
摘要:为了解决数字锁相放大器在进行数字相关运算中引发的大存储量和大运算问题,首次将电压/频率转换方法引入锁相检测电路中,采用了一种新的数字相关电路结构,极大降低了数字相关运算对处理器高性能的要求;理论分析与实验表明:该数字锁相放大器性价比高、测量响应时间快,在对1mV 信号进行测试中,相对误差能够控制在1%以内。
关键词:数字相关电路;锁相放大器;压/频转换;微弱信号
A New Design of Digital Correlation Circuit Applied in Lock -in Amplifier
Wu M ing hua 1,Zheng Gang 1,Jiang Bin 2,Li M eng chao 1,Chen Luling 1
(1 School of O pt ical-Electr ical and Co mputer Eng ineer ing,U niver sity o f Shanghai for Science and
T echnolog y,Shanghai 200093,China;2 Shanghai Electr ical Cable Research Institute,Shang hai 200093,China)
Abstract:In ord er to solve th e problem of a mass of operational data caused by correlation operation in digital lock -in amplifier (DLIA),for the first time,the Voltage-to-frequency converting (V/F)m ethod w as tak en in to L IA detectin g circu it,In this paper,a n ew type of correlation circuits structure is pres ented,reduces th e demands of process or performance w hich is u sing for correlation operation.It s th eoretically analyzed and proved th rough experiment that this DLIA is good in costs and m easuring response time,relative error of DLIA can be controlled w ithin 1%b y w hich measures 1mV signals.
Key words :digital correlation circuits;lock-in amplifier;voltage-to-frequen cy con vert;weak s ignal
图1 基于新型数字相关电路的锁相放大器结构设计图
0 引言
数字锁相放大器对比于传统的模拟锁相放大器具有抗干扰
能力强,信噪比高,动态范围大等许多优点而倍受亲睐。随着数字信号处理(DSP)硬件技术和虚拟软件技术的发展,研发新一代数字锁相放大器的工作已成为微弱信号检测研究领域中的热点[1]。如Optr onic 公司开发的O L 730D 型DSP 锁相放大器;陈家胜研制的基于虚拟仪器技术的程控锁相放大器;天津大学林凌等将传统锁相放大器的优点与!- 型A/DC 的过采样和积分特性结合起来而设计的新型锁相放大器[2]。
现有的数字锁相放大器一般使用高速A/DC 对信号进行高速采样[3],然后使用比较复杂的算法[4]进行锁相相关运算,这对微处理器的速度要求很高,而利用!- 型A/DC 的过采样和积分特性设计的锁相放大器又存在其通带内带宽很窄等问题。为此,笔者提出了数字锁相放大器设计的一种新方法,通过电压/频率(简称压/频,V/F)转换的方式实现锁相放大器的数字相关运算,实现了真正意义上的由硬件电路来完成的数字锁相相关运算。
1 正交矢量型锁相放大器原理[5]
锁相放大器利用的是相关检测原理,它有两
路相关器,输出同时有正交分量I 和同相分量Q ,设被测正弦信号x (t)的幅值为A 和相角 ,则有:
A =
1B
R 2s y +R 2
s y ∀
(1) =arctan (R sy ∀/R sy )(2)
其中,R sy 、R sy ∀分别为信号x (t )与参考信号y (t)、y '(t)的互相关函数,在正交矢量锁相放大器中R s y =I ,R s y ∀=Q 。B 为参考信号的幅值。
2 基于新型数字相关电路的锁相放大器结构设计
2 1 一种新的锁相检测电路原理设计
图1为该数字锁相放大器原理图。该数字锁相放大器的核心部分由V/F 转换和数字相关电路组成。其中,数字相关电路主要又由参考信号y (t)控制的同步可逆计数电路组成。
工作原理为:V/F 转换电路将经前置放大器放大后的被测信号x (t)由电压模拟量线性地转换为频率数字量,正半
第12期吴明华,等:一种新的应用于锁相放大器的数字相关电路结构设计
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周期模数转换器输出的频率高,负半周期输出的频率低。由参考信号y (t)触发的同步波形形成电路产生必要的同步信号去控制门和正、负计数方向,正半周为正计数,负半周为负计数,并保证正负计数的时间相等。每一路由参考信号控制的计数器采用一个共同的可逆计数器(又称加/减计数器),在参考信号的一个周期内:可逆计数器先根据参考信号的正半周期进行正计数,不妨设正半周期的正计数值为m,当参考信号的负半周期到来时,可逆计数器从m 值开始进行负计数,设负计数值为n,那么当负半周期结束时,可逆计数器的值将为m -n ,该值可由微处理器读走并保存。为了消除干扰和噪声,计数器连续计许多周期,微处理器对读入的值求和取平均值,得到被测信号的数字量。对于干扰或噪声,由于不能与参考信号同步,长时间的计数能相互抵消,从而完成数字相关的功能。2 2 DLIA 系统硬件结构
系统硬件结构采用了模块电路设计的思想,系统总体硬件结构图如图2所示。
图2 DLIA 系统硬件结构图
3 基于新型数字相关电路的锁相放大器硬件模块设计
3 1 电压/频率转换电路设计
V/F 转换器对比一般的A/D 转换器,具有更好的精度和线性积分输入特性,这比一般的A/D 转换器更适合应用于实现对含有强噪声的微弱信号检测。V /F 转换器的输出频率与输入模拟电压大小成正比,设输入的模拟电压值为V I N ,则对应转换输出频率为f ∀o ut ,则有:
f ∀out =K f V IN
(3)
其中K f 为V/F 转换系数。
实验采用A DI 公司的高性能同步V /F 转换器A D652芯片,该芯片是单片电荷平衡式电压/频率转换器(V FC)。电路原理图如图3所示,图中时钟输入频率为2M Hz,相应满量程输出频率为1M H z 。
图3 V/F 转换电路原理图
3 2 新型数字相关电路结构设计与分析
数字相关电路主要由参考信号y (t)控制的可逆计数电路组成。为实现图1原理图中的相关可逆计数功能,主要采用了加/减计数器74A S867,该计数器为8位二进制同步加/减计数器。数字相关电路原理图如图4所示。
计数器位数选择。实验被测信号x (t)的频率为f =210H z,AD652的满量程输出频率为1M Hz,且计数器正计数时间只有半个周期,则单个周期计数最大值为:
K max =f ∀max #T 2=f ∀max #1
2#f =
1#106#1
2#210
=2358
(4)
212=4096>2358,因此选用两片8位可逆计数器74A S867级联为16位二进制可逆计数电路。
3 3 控制电路和数据处理
控制电路主要由A T C52单片机组成,当每个计数周期结束时,单片机将可逆计数器的值读走并保存,连续读入多个周期的值后取平均值,即可以求解得到锁相放大器的同相输出
图4 数字相关电路结构设计图
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计算机测量与控制 第18卷
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图5 信号源幅值为1mV 的波形
值I 和正交输出值Q 。根据图1的原理可得每个周期计数值为m -n ,电压值与转换频率的关系有:
R sy =m -n
f ∀m ax
#V ma x
(5)R s y ∀=
m ∀-n ∀
f ∀ma x
#V ma x
(6)
其中,V max 为V /F 转换输入的满量程模拟电压值。将式(5)和(6)代入(1)、(2)式即可得到被测信号的幅值和相位。
4 实验
实验制作了印刷电路板,实验测试信号由专用信号发生器∃∃∃锁相(又称锁定)放大器测试信号源产生。该信号源输出测量信号x (t)为正弦波,参考信号y (t)为与之同频的方
波。该信号源产生的输出信号x (t)幅值有4种选择档,分别是:5mV 、2 5mV 、1m V 、0 5mV 。将该信号源的两路输出信号同时接至T ekt ronix M SO 4034型示波器的波形图如图5所示(图示为选择1mV 档时)。
表1 锁相放大器测试结果
输入信号(m V)
实测平均幅值(mV)
绝对误差(m V)
相对误差(%)
5 205 160 040 76%2 602 610 010 38%1 041 030 010 96%0 52
0 53
0 01
1 92%
锁相放大器测试结果如表1所示。从实验结果可以看出,仪器的精度与输入信号的幅值有关,当输入信号在1mV 以上时,系统的相对误差可以控制在1%以内,当信号输入幅值低于1mV 时由于容易受到增益精确度和实验室环境噪声的干扰,相对精度明显变低。实际上,当幅值低于1mV 后,如果仅用相对误差来衡量系统的精度,已经显得并不是十分的合理,因为在0 5mV 的测试数据中,我们看到此时的绝对误差其实还是比较小的,因此在测量微弱信号时,当输入信号已经很微弱时,我们应该更加关注系统的绝对误差而不是相对误差。
5 结语
利用V/F 转换搭建了一种新的数字相关电路结构,实现了真正由硬件电路实现的数字相关运算,并以此制作了新的数字锁相放大器。理论分析和实验结果表明:该新型数字相关电路实现的数字相关运算对微处理器的性能要求相当低。同时,该电路采用硬件方式进行相关运算,不同于基于DSP 或虚拟仪器的软件方法[6],因而提高了系统的抗干扰能力和测量响应速度。
参考文献:
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