基于DSP的數(shù)字鎖相放大器在LAPS檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

李龍華,賈蕓芳

（南開大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院,天津300071）

基于DSP的數(shù)字鎖相放大器在LAPS檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

李龍華,賈蕓芳

（南開大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院,天津300071）

介紹了基于鎖相放大技術(shù)的LAPS檢測系統(tǒng)的基本原理,為實現(xiàn)高精度的LAPS檢測系統(tǒng),利用DSP開發(fā)板和數(shù)、模器件設(shè)計了數(shù)字鎖相放大器,將數(shù)字鎖相放大算法在DSP內(nèi)實現(xiàn).實驗分析表明：基于DSP的數(shù)字鎖相放大器能夠用于高精度的LAPS檢測系統(tǒng)中.

LAPS；DSP；數(shù)字鎖相放大器；檢測系統(tǒng)

近年來,隨著生物信息科學(xué)、微電子學(xué)以及半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)的不斷發(fā)展與融合,光尋址電位傳感器（Light-Addressable-Potential-Sensor,LAPS）作為一種新型的半導(dǎo)體生化傳感器,具有顯而易見的結(jié)構(gòu)簡單、易于封裝、靈敏度高、穩(wěn)定性好、多參數(shù)檢測、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,如：①利用激光脈沖沉積技術(shù)在LAPS表面沉積硫?qū)倩锊Ａ?實現(xiàn)對Pb2+等重金屬離子的檢測[1]；②將LAPS應(yīng)用于檢測細(xì)胞在新陳代謝過程中的變化,從而獲得細(xì)胞信息[2]；③將LAPS擴(kuò)展為氣體傳感器,用于測量空氣中氧氣的含量[3]；④將LAPS用于無標(biāo)記免疫反應(yīng)測試,通過無標(biāo)記甲胎蛋白檢測,實現(xiàn)對肝癌的早期診斷[4].因此如何對LAPS系統(tǒng)所產(chǎn)生的光電流（光電壓）信號進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測量就顯得尤為重要,LAPS的檢測技術(shù)得到了更為深入的研究.數(shù)字鎖相放大器（Digital Lock-in Amplifier,DLIA）,是一種較為常用且有效的檢測微弱交流信號的儀器設(shè)備,這種設(shè)備具有中心頻率穩(wěn)定,通頻帶窄,品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),擁有強(qiáng)大的信號提取能力,采用數(shù)字鎖相放大技術(shù)可將被大量噪聲信號淹沒的微弱信號提取出來.

本文首先簡述了基于鎖相放大技術(shù)的LAPS信號檢測基本原理,分析了幾種不同的數(shù)字鎖相放大算法,利用數(shù)字信號處理器（DSP）,給出了一種適用于LAPS檢測系統(tǒng)的數(shù)字鎖相放大器設(shè)計.借助DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,完成互相關(guān)算法及濾波算法,將微弱交變光電流或光電壓信號從強(qiáng)噪聲背景中精準(zhǔn)地探測出來,并得到精密的度量.

1 基于鎖相放大技術(shù)的LAPS檢測原理

1.1 LAPS檢測原理

LAPS以EIS（Electrolyte Insulator Semiconductor,電解質(zhì)—絕緣層—半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),基于場效應(yīng)器件對絕緣層和電解質(zhì)之間界面勢變化的響應(yīng),將待測電解質(zhì)的信息轉(zhuǎn)換成電信號.LAPS檢測系統(tǒng)由4個功能模塊構(gòu)成（見圖1）,包括LAPS芯片、三電極測試體系、激發(fā)光源、信號檢測與控制模塊.其中LAPS芯片用于完成待測電解質(zhì)信息的識別與信號的識別；三電極測試體系由LAPS的三個電極（參比電極RE、對電極CE和工作電極WE）和電化學(xué)工作站組成,用于對傳感器的電流和電位信號的控制；激發(fā)光源模塊由激光器和數(shù)字鎖相放大器組成,用于提供頻率可調(diào)的激發(fā)光源；信號檢測與控制模塊由電腦、電化學(xué)工作站以及數(shù)字鎖相放大器組成,用于實現(xiàn)對傳感器工作條件的控制以及對信號的檢測.從圖1可以看出,鎖相放大器是LAPS檢測系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能模塊,對數(shù)字鎖相放大器的簡單化、有效化以及普適化的研究有著重要意義.

圖1 LAPS檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Sketchmap for LAPSdetection system

1.2 LAPS信號特征分析及DLIA基本原理

在LAPS檢測系統(tǒng)中,激發(fā)光源調(diào)制頻率的控制很重要,其中激發(fā)光源的脈沖輸出是能夠在通過鎖相放大技術(shù)檢測到持續(xù)不斷的交變光電流信號的保證.通過數(shù)字鎖相放大器給待測系統(tǒng)一個激勵信號,激勵信號的頻率范圍為500Hz到5 000 Hz.由于LAPS檢測系統(tǒng)的作用,如傳感器本身,外界環(huán)境,電路之間相互影響等,輸出的被測信號被大量噪聲淹沒,噪聲在很寬的頻率范圍內(nèi)近似平坦分布.而有用信號的幅值范圍通過信號處理電路放大到mA（mV）級.為了較為準(zhǔn)確地獲取待測系統(tǒng)的信息,通過數(shù)字鎖相放大器從噪聲中提取出有用信號,對有用信號的測量精度應(yīng)在5%以內(nèi).

微弱信號的提取檢測方法是圍繞速度和精度兩個方面發(fā)展的,DLIA是通過被測信號與參考信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算的一種電子設(shè)備,在這兩方面都能達(dá)到較高的要求.鎖相放大技術(shù)的理論基礎(chǔ)是互相關(guān)檢測,通過被測信號與參考信號互相關(guān)運(yùn)算實現(xiàn)對信號的窄帶化處理,很好地抑制噪聲,從而提取出有用信號的幅度和初相位信息.

2 LAPS測試系統(tǒng)中數(shù)字鎖相放大器的DSP設(shè)計

根據(jù)LAPS檢測系統(tǒng)的要求以及實際具備的條件,設(shè)計一個由電腦和TMS320VC5509A開發(fā)板組成的主從機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)DLIA,主要由3部分構(gòu)成：外部信號處理電路、DSP開發(fā)板以及主機(jī).在被測信號進(jìn)行AD采樣前,需要對被測信號進(jìn)行處理,主要對微弱的被測信號差分放大、程控放大,抗混疊濾波、預(yù)濾波可提高輸入信號的信噪比,交流放大使信號在進(jìn)入PSD時有適合的幅值范圍.經(jīng)過信號輸入通道處理后將被測信號進(jìn)行采樣,進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算.TMS320VC5509A是一款高性能低功耗的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器,它不僅具有高速的運(yùn)算能力,而且具有豐富的外圍電路接口.在DLIA設(shè)計中,DSP開發(fā)板不僅進(jìn)行數(shù)字鎖相運(yùn)算,還要與外部處理電路進(jìn)行聯(lián)系,同時還要與主機(jī)進(jìn)行通訊,因此在數(shù)字DLIA設(shè)計中DSP起著至關(guān)重要的作用.主機(jī)主要進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定,加載DSP程序,控制DSP的運(yùn)行,與DSP進(jìn)行通訊,同時用于處理、存儲和顯示DSP傳送的數(shù)據(jù)結(jié)果.

2.1 數(shù)字鎖相放大算法分析選擇

DSP的軟件設(shè)計是該數(shù)字鎖相放大器的重點(diǎn).首先是對算法的分析與選擇,實際中使用相敏檢波器（Phase Sensitive Detector,PSD）近似實現(xiàn)互相關(guān)檢測,因此PSD是DLIA的核心器件.采用數(shù)字化方法實現(xiàn)的相敏檢波稱為數(shù)字相敏檢波,目前已經(jīng)有很多數(shù)字相敏檢波算法,早期的算法如Momo提出的反向采樣法[5],Saniie提出的正交采樣法[6].在早期的數(shù)字相敏檢波算法研究中,由于數(shù)字相乘運(yùn)算比較困難,多是通過加減計數(shù)或是累加平均來實現(xiàn)數(shù)字鎖相檢測,這些方法雖然容易實現(xiàn),并且滿足了特定的實驗需求,但是一般只適用于低頻信號,且不能很好地抑制諧波.近年來,大部分?jǐn)?shù)字相敏檢波算法是通過ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號,通過數(shù)字互相關(guān)來實現(xiàn)相敏檢測,其中不僅涉及到累加平均運(yùn)算,還涉及大量的乘運(yùn)算,這樣的方法具有很強(qiáng)的諧波抑制能力和較寬的工作頻率范圍.如分段累加法[7],快速數(shù)字鎖相算法[8],一個基本的數(shù)字相敏檢波器是由一個數(shù)字乘法器和數(shù)字低通濾波器組成的.本文經(jīng)過對各種算法的分析,選擇經(jīng)典的數(shù)字鎖相算法,即數(shù)字相關(guān)解調(diào)算法.將被測信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣,然后在微處理器中實現(xiàn)相乘及低通濾波.將被測信號序列與參考正余弦序列分別相乘,然后通過數(shù)字低通濾波器取出直流分量.對于DLIA中的低通濾波器,很多學(xué)者進(jìn)行了深入研究[9-10],最常采用的低通濾波器是M點(diǎn)平均濾波器[11].通過以上分析,完成對數(shù)字鎖相放大算法的選擇.

2.2 DSP軟件設(shè)計

在DLIA中直接使用TMS320VC5509A開發(fā)板,省去了DSP硬件電路設(shè)計,對DSP的軟件編程更容易.DSP程序通過集成開發(fā)環(huán)境CCS調(diào)試并通過電腦加載,可以更方便地修改調(diào)整DSP程序,增加了系統(tǒng)的靈活性.其中數(shù)字鎖相放大算法程序如下：

Voidmain（）

{

.......//系統(tǒng)初始化,變量定義

Refwave（f）；//參考正余弦序列

Correlate（）；//互相關(guān)運(yùn)算

Lpf（）；//M均值低通濾波器

AmpCal（）；//幅值計算

PhaCal（）；//初相位計算

...........//后續(xù)處理

｝

數(shù)字鎖相放大算法的流程圖如圖2所示.

圖2 數(shù)字鎖相放大算法程序流程Fig.2 Flow chartofdigital lock-in amplifier’salgorithmic program

3 結(jié)果與討論

借助DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力,完成數(shù)字鎖相放大算法,對該算法進(jìn)行一系列測試,從而完成對所需參數(shù)的選擇.用信號源產(chǎn)生1 kHz的正弦信號,幅值為0.001 V,疊加均值為0,方差為0.001的隨機(jī)噪聲,即輸入信噪比為-33 dB,設(shè)為經(jīng)外部處理電路處理過的被測信號,時域和頻域信號分別如圖3、圖4所示.

圖3 被噪聲淹沒的正弦時域信號Fig.3 Sine signal in time domain submerged by noise

圖4 被噪聲淹沒的正弦頻譜信號Fig.4 Sine signal in frequency domain submerged by noise

在不同時延的情況下將被測信號與參考信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,相關(guān)運(yùn)算后的輸出信號頻譜,如圖5所示,輸出信號幅值如圖6所示.

圖5 相關(guān)運(yùn)算后輸出信號的頻譜Fig.5 Frequency spectrum ofoutputsignalafterbeing treated with correlation algorithm

圖6 相關(guān)運(yùn)算后輸出信號的幅值Fig.6 Amplitude ofoutputsignalafterbeing treated with correlation algorithm

對被測信號進(jìn)行AD采樣,根據(jù)奈奎斯特采樣定理,采樣頻率應(yīng)大于被測信號頻率的2倍.本文設(shè)置不同的被測信號的整數(shù)倍作為采樣頻率（4 kHz,8 kHz,10 kHz,16 kHz,20 kHz）,同時為了保證整周期采樣,數(shù)據(jù)長度選擇320,觀察輸出信號的幅值.表1分析輸出信號的均值及輸出信噪比,圖7不同采樣頻率時各個時延下計算輸出信號幅值,選擇最佳采樣頻率為16 kHz.

表1 不同采樣頻率下輸出信號的幅值均值以及輸出信噪比Tab.1 Averageamplitudeand signal-noise ratioofoutputsignal in differentsampling frequency

圖7 不同采樣頻率下相關(guān)運(yùn)算后輸出信號的幅值Fig.7 Amplitude ofoutputsignal treated by correlation algorithm with differentsampling frequency

選定采樣頻率后,對采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行分析（見表2）,可發(fā)現(xiàn)隨著數(shù)據(jù)長度的增加,輸出信噪比越大,數(shù)字鎖相放大的性能越好,但數(shù)據(jù)長度的增加使得積分時間變長,從而在精確性與實時性上存在著矛盾,只能在兩者之間進(jìn)行折中,取得實驗想要達(dá)到的效果.

表2 不同采樣數(shù)據(jù)長度下輸出信號的幅值均值以及輸出信噪比Tab.2 Averageamplitudeand signal-noise ratioofoutputsignal in different length of the sampling data

對該算法進(jìn)行輸入信噪比范圍的分析,測量精度要在5%以內(nèi),由圖8可以看出,對輸入信噪比大于-40 dB的微弱信號檢測效果較好.因此在信號處理電路部分應(yīng)將輸入信噪比提高到-40 dB以內(nèi).

圖8 輸入信噪比不同時相關(guān)運(yùn)算后輸出信號的幅值Fig.8 Amplitude ofoutputsignal treated by correlation algorithm with differentsignal-noise ratio

4 結(jié)論

本文對LAPS檢測原理以及數(shù)字鎖相放大器的DSP開發(fā)板軟件設(shè)計進(jìn)行了較為詳細(xì)地闡述,借助DSP開發(fā)板設(shè)計的適用于LAPS檢測系統(tǒng)中的數(shù)字鎖相放大器,能更加準(zhǔn)確地檢測出LAPS系統(tǒng)的輸出信號,并且得到很高的輸出信噪比.LAPS信號的準(zhǔn)確測量推動了LAPS的不斷發(fā)展,無論是對LAPS還是數(shù)字鎖相放大器的研究,都具有十分重要的意義.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

App lication of DSP-based digital lock-in am plifier on LAPS detection system

Li Longhua,Jia Yunfang
（Collegeof Information Technological Science,NankaiUniversity,Tianjin 300071,China）

The basic principle of LAPS detection system based on lock-in amplifying technology is introduced．In order to achieve high-precision LAPS detection system,digital lock-in amplifier is designed which includes DSP development board,digital devices and analog devices．The digital lock-in algorithm is implemented on the DSP chip．The experiment results show that DSP-based digital lock-in amplifier can be used for high-precision LAPS detection system．

LAPS；DSP；digital lock-in amplifier；detection system

TN722

A

1008-7516（2013）03-0095-06

10．3969/j．issn．1008-7516．2013．03．020

2013-05-11

國家自然科學(xué)基金（60602002）；天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（12JCZDJC22400）

李龍華（1988-）,女,山東泰安人,碩士研究生．主要從事傳感器及其檢測系統(tǒng)研究．

賈蕓芳（1974-）,女,天津市人,博士,教授．主要從事傳感器及其檢測系統(tǒng)研究．