基于虛擬儀器技術(shù)的鎖相放大器設(shè)計

黃世瑜

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

基于虛擬儀器技術(shù)的鎖相放大器設(shè)計

黃世瑜

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

鎖相放大器是一種對交變信號進(jìn)行相敏檢波的放大器，廣泛的應(yīng)用于科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生、國防科技、精細(xì)加工檢測等領(lǐng)域.基于虛擬儀器技術(shù)的鎖相放大器無疑使這種應(yīng)用更為方便和高效.本文通過分析鎖相放大器工作原理，測量信號與基準(zhǔn)信號的互相關(guān)特性，利用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW軟件系統(tǒng)，完成鎖相放大器程序設(shè)計，實現(xiàn)將所需頻率的微小信號鎖定并進(jìn)行測量的數(shù)字鎖相放大器設(shè)計.

鎖相放大器；虛擬儀器；信號噪聲；相敏檢波器

在弱信號信號檢測與系統(tǒng)處理中，待檢測信號往往深埋在噪聲信號中，噪聲信號分離是信號處理核心技術(shù).鎖相放大器(LIA)是一種對交變信號進(jìn)行相敏檢波的放大器.它利用和被測信號有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（或者倍頻）、同相的噪聲分量有響應(yīng).因此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比.此外，鎖相放大器有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單，是弱光信號檢測的一種有效方法.

SIGNAL RECOVER公司1962年發(fā)明的第一臺鎖相放大器，突破了弱信號檢測過程中噪聲信號濾除的技術(shù)難題，極大的推動了信號檢測與信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展，隨著電子信息工程技術(shù)的不斷發(fā)展，鎖相放大器的發(fā)展也經(jīng)歷了由早初的模擬電子系統(tǒng)、模數(shù)混合電子系統(tǒng)到現(xiàn)在廣泛使用的數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)的發(fā)展歷程，弱信號檢測與信號處理在多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.

在當(dāng)前的鎖相放大器工程應(yīng)用中，一般均使用數(shù)字鎖相放大器.在數(shù)字鎖相放大器信號處理通道中，引入了數(shù)字濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）等技術(shù)，有效的抑制了信號通道中的各類噪聲信號，采用數(shù)字系統(tǒng)可以實現(xiàn)由計算機(jī)控制、監(jiān)視和顯示等輔助功能，為數(shù)字化、虛擬化等“硬件軟化”技術(shù)的實現(xiàn)提供了有效的技術(shù)途徑.

虛擬儀器(Virtual Instruments簡稱VI)是以計算機(jī)技術(shù)為核心，根據(jù)測量信號的需求，使用軟件技術(shù)的方式來實現(xiàn)通用硬件設(shè)備信號測量功能.虛擬儀器典型的軟件程序開發(fā)平臺是LabVIEW，LabVIEW由美國國家儀器（NI）公司研發(fā)，是基于圖形化的程序語言，又稱為“G”語言.是一個面向最終用戶的程序設(shè)計工具，使用這種語言編程時，采用流程圖程序設(shè)計的方式，在程序的編寫過程中基本上不寫程序代碼.使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率.

1 鎖相放大器工作原理

典型的鎖相放大器模型一般由信號通道、參考通道和相關(guān)器三部分組成，如圖1所示.在信號的處理過程中，其核心部件為相關(guān)器，相關(guān)是指兩個彼此獨立的函數(shù)，當(dāng)兩個函數(shù)的乘積對時間求積分（平均）為零時，兩個函數(shù)的關(guān)系稱為相關(guān)函數(shù).函數(shù)的相關(guān)性可分為自相關(guān)和互相關(guān)兩種.在鎖相放大器中主要目的是從噪聲中取出微弱的有用信號，由于互相關(guān)檢測抗干擾能力強(qiáng)，因此在鎖相放大器中一般采用互相關(guān)檢測原理.利用參考信號頻率與輸入信號頻率相關(guān)，與噪聲頻率不相關(guān)實現(xiàn)對信號的選擇性放大的目的.

相關(guān)器為相敏檢波器，接收除被測信號外，還有一個基準(zhǔn)信號.通常基準(zhǔn)信號是和信號同步的對稱方波或正弦波，用以驅(qū)動相關(guān)器的電子開關(guān)電路.相關(guān)器的作用是完成被測信號與參考信號兩者互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算.從理論上講用一個模擬乘法器和一個積分時間為無窮大的積分器，就可以把深埋在任意噪聲中的微弱信號檢測出來.

圖1 典型鎖相放大器框圖

2 基于LabVIEW的鎖相放大器的實現(xiàn)

根據(jù)參考信號源有方波和正弦波兩種方式，本文以方波作為參考信號的鎖相放大器.這種設(shè)計將參考信號設(shè)定為方波并輸入相敏檢波器(PSD)的參考端,所測信號作為它的另一個輸入.

無干擾的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號作為輸入信號和不同相位的方波相乘后得到的波形（的波形）如圖2所示.

圖2 信號相乘所得波形

因為方波的傅里葉展開式中sin ［（2n +1 ）ωr］項的存在，以方波作為參考信號的設(shè)計會使系統(tǒng)對輸入信號中ωr的奇次倍項諧波也發(fā)生響應(yīng)，即系統(tǒng)對奇次諧波的抑制能力有一定限度.故使用方波為參考信號的系統(tǒng)尤其需要在信號通道中設(shè)置帶通濾波器或高通、低通兩個濾波器以及調(diào)諧放大器，以便對混雜在被測信號中的干擾和噪聲先進(jìn)行一定程度的抑制，加強(qiáng)整個鎖相放大器對噪聲和干擾的抑制能力.

根據(jù)上述原理可在LabVIEW下制作鎖相放大器，共分為輸入信號（包括微弱信號和噪聲）及其濾波，參考信號（兩路參考信號相位差固定，參考相位精密可調(diào)），數(shù)據(jù)處理和計算，測量值顯示以及后級濾波等部分構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)參考信號的相位得到輸出最大值，此時兩信號相位相同，即可得出輸入信號的相位.利用兩路有固定相位差參考信號與輸入信號的關(guān)系還可以直接測得所測信號的幅值并顯示出來.

儀器前面板的設(shè)計盡量符合真實儀器的效果，有直接數(shù)值輸入、轉(zhuǎn)盤、垂直滑動桿開關(guān)、按鈕等多種形式的輸入控件，也有儀表盤、直接數(shù)值輸出和波形圖等多種顯示方式，使得儀器的使用方式盡量直觀，操作盡量方便.鎖相放大器前面板如圖3所示.

圖3 鎖相放大器前面板

儀器的程序框圖使用了循環(huán)結(jié)構(gòu)使其持續(xù)運(yùn)行，直至按停止鍵或系統(tǒng)出錯為止.整個程序自左至右依次實現(xiàn)的功能大致是：波形采集和處理（左下），參考信號發(fā)生（左上），數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，顯示輸出.儀器的程序框圖如圖4所示：

輸入信號（待測信號）由Express選板中的“仿真信號”獲得，“仿真信號”控件可以產(chǎn)生已知頻率、振幅和相位的正弦波等波形，并可以在波形上疊加各種強(qiáng)度可調(diào)的模擬噪聲信號（如高斯白噪聲，周期性隨機(jī)噪聲，二項分布噪聲，泊松噪聲等），以達(dá)到真實輸入信號的效果.輸入信號通過前面板左下角的“參考信號”部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，可改變其幅值、頻率、相位和直流偏移（在原波形上疊加直流信號）.噪聲的幅值和類型也可控制.

圖4 鎖相放大器程序框圖

參考信號的獲得也可選用外部參考，使外部參考信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集到系統(tǒng)中來.此處系統(tǒng)采用的是內(nèi)部的方波波形生成來得到參考信號，因為內(nèi)部生成的參考信號參數(shù)比較穩(wěn)定，參數(shù)的調(diào)節(jié)和控制方便，移相時直接改變生成信號的相位即可.參考信號的調(diào)節(jié)由前面板上的“參考信號”一欄完成，可調(diào)節(jié)方波的幅值，頻率，相位，占空比等，其中參考信號的相位可精確調(diào)節(jié)（精確到0.1o），以獲得被測信號的相位信息.采樣信息包括每秒采樣率（Fs）和每次采樣波形的采樣數(shù)，參考信號的采樣信息應(yīng)與對被測信號的采樣向協(xié)調(diào).

由于鎖相放大器常用以檢測微弱信號和處于較大噪聲環(huán)境下甚至被噪聲淹沒的信號，前級應(yīng)對信號上疊加的噪聲做初步處理.系統(tǒng)中在前級對信號處理包括濾波和放大，濾波使用的是Labview提供的帶通濾波器，可通過前面板的數(shù)值輸入控件調(diào)節(jié)濾波的高截止頻率和低截止頻率，還可在程序框圖中調(diào)節(jié)濾波器的類型和階數(shù).系統(tǒng)中使用的是7階巴特沃茲濾波器.放大用來使輸入的小信號與參考信號的幅值相當(dāng).

前面板的四個顯示控件分別顯示出輸入信號的波形和頻譜（功率譜）和信號經(jīng)濾波放大后的波形和頻譜.然而濾波器的引入使得測量信號幅值有一定程度的衰減，并且引進(jìn)了一定的相位偏移，即使得通過濾波器后的信號相位與最初輸入時不同，所以參考信號的相位只能表征相對的相位差，不代表輸入信號的絕對相位.

3 鎖相放大器測試

利用“模擬波形”對儀器進(jìn)行了初步測試，讓儀器測量被高斯白噪聲淹沒的0.1V正弦信號，獲得了信號的幅值和測量量關(guān)于相位差變化的曲線，如圖5所示.

圖5 工作時的鎖相放大器前面板

參考相位從0o到360o，每5o取樣測得的測量值變化曲線.橫軸為角度，縱軸為幅值.可見得到一條帶有相位偏移的正弦曲線，與理論計算相符.若采用更長的平均次數(shù)，即更長的后級濾波時間系數(shù)，可以使數(shù)據(jù)的抖動起伏更小.被測信號相位偏移由前級的帶通濾波電路造成，所以當(dāng)調(diào)整輸入信號和參考信號相位都為時0o兩路信號相交匯時相對相位差并不是0o.

圖6 隨相位變化的測量值曲線

4 結(jié)論

通過設(shè)計和制作基于LabVIEW的鎖相放大器，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比.可用于檢測信噪比很低的微弱信號，達(dá)到鎖相放大器的主要技術(shù)指標(biāo)，實現(xiàn)了數(shù)字化、虛擬化等“硬件軟化”的目的.

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[3]楊維初,謝海明.基于LabVIEW的鎖相放大技術(shù)在OCT中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶,2007，(5).

[4]朱云輝,江曼松.基于虛擬儀器技術(shù)和互相關(guān)原理的流體流速測量儀[J].儀器儀表用戶,2005，(4).

責(zé)任編輯：張隆輝

TN98

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1672-2094(2014)04-0155-03

2014-05-03

黃世瑜（1978-），男，四川廣安人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系講師工程碩士.研究方向：電子測量、電子設(shè)計自動化。