高選擇性便攜式正交鎖相放大器研制

葉瑋琳, 程西云, 范穎暉, 鄭傳濤

(1. 汕頭大學(xué) 工學(xué)院, 廣東 汕頭 515063;2. 吉林大學(xué) a. 集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室; b. 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長春 130012)

0 引 言

在電子信息工程領(lǐng)域, 噪聲形式多樣且無處不在[1-5], 如何從含噪信號中提取有用的微弱信號一直是信息檢測中的重點(diǎn)和難點(diǎn), 這就形成了微弱信號檢測技術(shù)[6-8]。該技術(shù)主要運(yùn)用電子學(xué)、 信息論、 計(jì)算機(jī)以及物理學(xué)等多種方法, 分析信號中摻雜噪聲產(chǎn)生的原因及變化規(guī)律, 研究被測量信號的特點(diǎn)以及噪聲的統(tǒng)計(jì)特性, 進(jìn)而采用適當(dāng)?shù)男盘柼幚矸椒? 以達(dá)到檢測微弱信號的目的。選頻放大技術(shù)[9]和鎖相放大技術(shù)[10]是提取微弱信號的兩種關(guān)鍵方法, 它們都在工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛, 如礦用甲烷、 一氧化碳等氣體分析儀[11,12]、 工廠NO、 NH3、 SO2污染氣、 廢氣的檢測[13,14]等。

與選頻放大器相比, 鎖相放大器的等效帶寬更窄, 使之成為微弱信號檢測的首選。然而,目前市場上銷售的鎖相放大器(如美國斯坦福公司研制的型號為SR830的鎖相放大器)雖然性能優(yōu)越, 但其體積龐大、 價(jià)格昂貴, 難以用于便攜式儀器中。因此, 研制出性能優(yōu)良(可逼近或達(dá)到商用儀器性能)的便攜式、 高選擇性鎖相放大器成為了研制便攜式儀器的主要工作。鑒于上述考慮, 基于正交鎖相放大技術(shù), 筆者設(shè)計(jì)并研制了一種便攜式鎖相放大器, 其可測的幅度極限小于等于5 mV, 均值滿度誤差小于等于1%, 待測信號的允許帶寬大于50 kHz, 3 dB帶寬小于1 Hz, 達(dá)到了便攜式儀器的測量要求。

1 正交鎖相放大器理論

筆者采用正交鎖相放大器的原理如圖1所示。其中x(t)為待測的微弱信號, 幅度為X0, 角頻率為ω0, 初始相位為φ0。r(t)為參考信號, 幅度為R, 角頻率為ω, 初始相位為ζ。

圖1 正交鎖相放大工作原理

對于相敏檢測器通道(PSD： Phase Sensitive Detectors), 待測信號通過模擬乘法器1與參考信號移相90°后的信號相乘, 得到輸出信號x1(t), 可表示為

對于正交相敏檢測器通道(QPSD： Quadraturse Phase Sensitive Detectors), 待測信號通過模擬乘法器2與參考信號相乘, 得到輸出信號x2(t), 可表示為

對模擬乘法器的輸出信號進(jìn)行低通濾波, 可得到二者的平均信號為

對比式(3)和式(4), 對兩個(gè)均值信號平方求和后再求均方根可得

(5)

由式(5)可得出如下結(jié)論。

2) 通過正交運(yùn)算處理, 消除了參考信號和待測信號初始相位的影響, 大大降低了對參考信號的要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模塊化測試

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 正交鎖相放大器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 由ARM7產(chǎn)生的兩路正交參考信號的波形

2.2 正交方波信號產(chǎn)生電路及調(diào)試

根據(jù)第1節(jié)的分析可知, 參考信號應(yīng)具有嚴(yán)格精確的頻率, 這樣才能更準(zhǔn)確地提取待測信號的幅值信息。設(shè)計(jì)中, 直接利用微處理器LPC2131產(chǎn)生兩路相位差為90°的方波, 占空比為50%。該方法簡單易行, 外圍硬件電路簡單, 而且可靠性高、 頻率精度高、 頻率調(diào)整極為方便, 且頻率的調(diào)諧范圍為1～10 MHz。圖3給出了由ARM7產(chǎn)生的相位差為90°的3.3-V TTL(Transistor-Transistor Logic)方波波形, 二者將分別被送至兩路相敏檢波器中模擬乘法器的輸入端。

2.3 模擬乘法器電路及調(diào)試

設(shè)計(jì)中, 選用Analog Devices公司的專用乘法芯片AD630實(shí)現(xiàn)乘法器功能, 它具有良好的穩(wěn)定性和精度, 可用于鎖相放大、 平衡調(diào)制解調(diào)、 信號乘法、 同步檢測等多種信號處理領(lǐng)域。利用信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號作為待測信號, ARM7產(chǎn)生的兩路正交方波信號作為參考信號, 實(shí)驗(yàn)測試了兩路模擬乘法器的輸出波形, 分別如圖4a和圖4b所示?？梢钥闯? 兩路乘法器的輸出結(jié)果相位差仍為90°, 證實(shí)了所設(shè)計(jì)電路的功能是正確的。

a PSD支路 b QPSD支路

2.4 低通濾波器電路及調(diào)試

低通濾波器的主要作用是濾除AD630輸出交流信號中的高頻成分, 將其變換為直流信號, 由此提取幅度信息。為此, 筆者設(shè)計(jì)了一種有源8階巴特沃茲低通濾波器, 其截止頻率設(shè)置為5 Hz。 調(diào)試中, 將兩路模擬乘法器的輸入均接相同的信號, 并利用示波器觀測兩路低通濾波器的輸出, 以此驗(yàn)證低通濾波器的功能, 同時(shí)也測量兩路相敏檢波器的對稱性。測量結(jié)果如圖5所示, 其中待測信號頻率為50 kHz, 通道1為PSD支路的低通濾波器輸出, 通道2為QPSD支路的低通濾波器輸出。由圖5可見, 相敏檢測器并不對稱, 其輸出存在差異, 大約相差30 mV。

圖5 兩路低通濾波器的輸出信號波形

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 標(biāo)定與測量量程

電路焊接完成后, 需首先對兩路相敏檢測器的輸出進(jìn)行標(biāo)定, 以得到實(shí)際輸入信號幅度和測量值的數(shù)學(xué)關(guān)系, 同時(shí)通過補(bǔ)償使測量值等于實(shí)際信號幅度。為此開展如下實(shí)驗(yàn)： 利用信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1 kHz、 幅值可調(diào)的正弦波, 同時(shí)利用信號發(fā)生器產(chǎn)生1 kHz的方波, 其占空比為50%。由于二者均為信號發(fā)生器產(chǎn)生, 因此二者同頻同相。令兩路相敏檢測器的輸入均接相同的正弦和方波信號, 利用A/D轉(zhuǎn)換器讀取兩路低通濾波器的輸出, 并對測量結(jié)果取均值, 結(jié)果如圖6所示?？煽闯? 在測量量程0～3 V范圍內(nèi), 測量值和標(biāo)準(zhǔn)值間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系, 二者的擬合關(guān)系式如圖6所示。根據(jù)兩個(gè)線性關(guān)系式以及由AD讀取的低通濾波器輸出電壓, 便可得到待測信號的實(shí)際幅度, 從而實(shí)現(xiàn)幅值檢測功能。

a PSD支路 b QPSD支路

3.2 均值誤差

實(shí)驗(yàn)中, 利用信號發(fā)生器產(chǎn)生待測信號(幅度可調(diào)), 利用ARM7產(chǎn)生兩路正交參考方波信號。選取4種待測信號頻率(1 kHz、10 kHz、25 kHz、50 kHz), 分別對不同幅度正弦波信號輸入時(shí)低通濾波器的輸出電壓進(jìn)行測量, 同時(shí)利用3.1節(jié)中的擬合關(guān)系計(jì)算輸入正弦波信號的幅度, 對每種信號做幅度測量15次, 并取均值, 結(jié)果如表1所示?？煽闯? 在對測量結(jié)果取均值的情況下, 同待測信號幅度真值相比, 測量值的均值誤差小于10 mV。由于測量量程為3 V, 則均值滿度誤差為10 mV/3 000 mV, 即小于1%。

表1 不同頻率下儀器對不同幅度待測信號的測量結(jié)果

3.3 頻率選擇性

頻率選擇性是衡量鎖相放大器性能的主要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下： 參考信號的頻率為1 kHz, 固定待測信號的幅度為200 mV, 微調(diào)待測信號的頻率, 使頻率偏差在-50～50 Hz變化。測量不同頻率偏差情況下的信號幅度, 結(jié)果如圖7所示。由圖7可見, 當(dāng)頻率無偏差時(shí), 測得的信號幅度為203 mV(逼近真實(shí)值200 mV), 當(dāng)頻率偏差為±1 Hz時(shí), 測得的信號幅度均降至120 mV以下。由于120/200=0.6<0.707, 因此該鎖相放大器的帶寬小于1 Hz。

3.4 檢測極限

圖7 鎖相放大器測得的信號幅度隨待測信號頻率偏移的關(guān)系曲線 圖8 鎖相放大器檢測下限的測量結(jié)果

檢測極限是指鎖相放大器可以探測的最小幅度。將輸入信號的頻率固定為1 kHz, 調(diào)整待測信號的幅度, 使之從0變至10 mV, 步進(jìn)1 mV。儀器測得的幅度如圖8所示。由圖8可見, 受系統(tǒng)噪聲的影響, 系統(tǒng)的檢測下限為5 mV。

4 結(jié) 語

基于相干檢測原理, 筆者設(shè)計(jì)并研制了一種基于ARM7的正交鎖相放大器, 給出了正交鎖相放大器的原理、 公式和整體方案。焊接并調(diào)試了各硬件模塊, 包括參考信號發(fā)生器、 模擬乘法器、 低通濾波器等, 測量了各模塊的輸出信號波形并驗(yàn)證了模塊功能。利用信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生待測信號, 對所研制鎖相放大器的性能做了測試和表征, 包括量程、 均值誤差、 選頻特性和檢測下限等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 系統(tǒng)測量下限小于等于5 mV, 均值誤差小于等于10 mV, 滿度測量誤差小于等于1%, 待測信號允許帶寬大于50 kHz, 3 dB頻帶寬度小于1 Hz。

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