低噪聲高增益鎖相放大的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

王 琦 , 蔣川東 , 杜海龍

(1. 吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130000; 2. 吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130000)

微弱信號(hào)的檢測(cè)成為一種十分重要的研究手段[1-2]。鎖相放大器因具有可靠性高、檢測(cè)能力強(qiáng)、通用性高等特點(diǎn),廣泛的應(yīng)用于微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域。地面核磁共振信號(hào)(magnetic resonance sounding,MRS)是一種微弱的窄帶信號(hào)[3-4],一般只有納伏級(jí)(10-9V),常規(guī)檢測(cè)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)納伏級(jí)信號(hào)的檢測(cè)。

美國(guó)SIGNAL RECOVERY公司相繼推出了多種鎖相放大器,其多款產(chǎn)品一直處于該行業(yè)的頂尖水平[5-6]。美國(guó)斯坦福公司研制了SR830鎖相放大器,法國(guó)研制了TE9822C型鎖相放大器等，日本NFCORP公司推出了LI5630/LI5640型鎖相放大器。近年來(lái),南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所以及安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所均針對(duì)鎖相放大器進(jìn)行了研究,且部分實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品商業(yè)化[7-11]。上述鎖相放大器在一般測(cè)試環(huán)境下均體現(xiàn)出優(yōu)越的性能,但是無(wú)法在野外實(shí)現(xiàn)納伏級(jí)微弱信號(hào)的檢測(cè),且體積龐大,難以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用儀器(比如地面核磁共振找水儀)的集成。

本文基于鎖相放大技術(shù),利用低噪聲高增益放大模塊、雙鎖相放大模塊及NET0824采集模塊對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、采集和控制,設(shè)計(jì)了一種便攜式適用于納伏級(jí)信號(hào)檢測(cè)的鎖相放大系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)主要由程控放大模塊、鎖相放大模塊、NET0824采集與控制模塊組成,系統(tǒng)整體框圖見(jiàn)圖1。待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)程控放大模塊濾波和放大后,作為鎖相放大模塊的輸入信號(hào),鎖相放大器輸出為信號(hào)的同相分量Vx和正交分量Vy,通過(guò)NET0824模塊中的24位高精度ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,利用網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行通信和波形顯示。其中NET0824模塊中的ARM和FPGA的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)74HC595實(shí)現(xiàn)串行I/O轉(zhuǎn)并行I/O,實(shí)現(xiàn)對(duì)程控放大模塊和鎖相放大模塊的增益倍數(shù)、高低通截止頻率和鎖相相位等參數(shù)的配置。同時(shí),控制信號(hào)對(duì)AD9850進(jìn)行配置,產(chǎn)生〗固定頻率的正弦波作為鎖相放大模塊的參考信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 信號(hào)調(diào)理與采集電路設(shè)計(jì)

2.1 程控放大系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)低信噪比環(huán)境下對(duì)微弱信號(hào)的高增益放大,本文設(shè)計(jì)的程控放大模塊原理框圖如圖2所示。程控放大模塊包括特低噪聲放大器,輸入本底噪聲為2 nV·Hz-1/2,放大倍數(shù)K1=10；程控放大器1和2分別用于信號(hào)放大(K2=1～100)和衰減(K3=0.01～1),可防止信號(hào)飽和；低通和高通濾波器,通帶截止頻率為3 Hz～10 kHz,阻帶截止頻率為0.1 Hz～3 kHz,因此帶寬最大為10 kHz；程控放大器3將濾波后信號(hào)再次放大K4=1～100倍；末級(jí)放大器為電壓跟隨器,K5=1。因此程控放大模塊的總放大倍數(shù)K總=K1K2K3K4K5=0.1～105,并按照1、2、5、10的規(guī)律變化。

圖2 程控放大模塊原理框圖

2.2 鎖相放大模塊設(shè)計(jì)

綜合考慮鎖相放大器的性能及體積,本文設(shè)計(jì)的雙鎖相放大模塊見(jiàn)圖3,放大倍數(shù)固定為100倍。利用AD9580芯片為鎖相放大器提供參考信號(hào),其中晶振為40 MHz,頻率精度可達(dá)9.31×10-3Hz。AD9850輸出的參考信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零整形產(chǎn)生同頻方波,然后根據(jù)需要,可選擇0°、90°、180°、270°的相移量,產(chǎn)生2個(gè)相互正交的方波。相關(guān)器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理,輸出被測(cè)信號(hào)的同相分量和正交分量。在信噪比極低的情況下,檢測(cè)出有用的窄帶微弱信號(hào)[12-13]。鎖相放大器的時(shí)間常數(shù)可調(diào)整為1 ms～3 s,根據(jù)噪聲水平,選擇合適的時(shí)間常數(shù)能夠有效提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比。

圖3 HB-292(V-1)型高性能雙相鎖相放大器原理框圖

2.3 系統(tǒng)采集與控制模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的高精度,高速率及多通道同時(shí)采集,本系統(tǒng)選用NET0824完成控制、采集和通信3大功能。該采集模塊的轉(zhuǎn)換精度為24位,采樣速率最高為105.469 kHz,本系統(tǒng)選擇52.734 kHz。

NET0824中的ARM和FPGA是本系統(tǒng)的控制核心。系統(tǒng)上電以后,首先對(duì)74HC595進(jìn)行配置從而實(shí)現(xiàn)對(duì)程控放大模塊和鎖相放大模塊參數(shù)的配置,同時(shí)對(duì)AD9850信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行配置并選擇參考信號(hào)的頻率；然后在上位機(jī)中利用LabVIEW 軟件編程進(jìn)行控制[14],通過(guò)網(wǎng)口通信將NET0824設(shè)置為定長(zhǎng)采集模式,每次采集1 s數(shù)據(jù)。設(shè)置程序框圖見(jiàn)圖4。AD采集后,通過(guò)網(wǎng)口通信將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī),并顯示出被測(cè)信號(hào)的同相分量Vx、正交分量Vy和信號(hào)包絡(luò)Vr。

圖4 定長(zhǎng)采集設(shè)置程序框圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 程控放大模塊測(cè)試

為了測(cè)試程控放大模塊的性能,使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量了通帶范圍內(nèi)的增益G曲線,結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可看到,程控放大模塊在1 kH～3 kHz通帶內(nèi)較平坦,設(shè)置增益從0.1～105,在2 kHz處實(shí)際增益為0.08～8×104。在增益小于1的衰減階段,系統(tǒng)受環(huán)境的噪聲影響,增益曲線存在毛刺。

圖5 程控放大器增益曲線

3.2 鎖相放大系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性,利用任意信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生核磁共振信號(hào)和φ=0 rad,信號(hào)持續(xù)1 s)進(jìn)行測(cè)試。用空心線圈發(fā)射該信號(hào),在一定距離外,放置接收線圈,利用本系統(tǒng)對(duì)耦合接收到的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),設(shè)置3個(gè)通道分別采集被測(cè)信號(hào)的同相分量Vx,正交分量Vy和信號(hào)的包絡(luò)幅度Vr,測(cè)試結(jié)果如圖6所示?？梢钥吹?由于時(shí)間常數(shù)為30 ms,采集結(jié)果的峰值前面有約50 ms延遲。利用曲線擬合得到測(cè)量信號(hào)同相分量、正交分量和信號(hào)包絡(luò)的初始(t=0 s)幅度分別為ex=1242.68 mV,ey=1459.26 mV和er=1916.76 mV。根據(jù)可以驗(yàn)證采集結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)測(cè)試,此時(shí)鎖相放大系統(tǒng)的總體放大倍數(shù)為8×107,因此,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)納伏級(jí)窄帶信號(hào)的有效采集,且放大倍數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

基于低噪聲高增益鎖相放大的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置,利用NET0824采集模塊作為檢測(cè)裝置的控制中樞,將程控放大、鎖相放大、高速采集、網(wǎng)口通信等模塊有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)納伏級(jí)窄帶微弱信號(hào)的有效檢測(cè)。該系統(tǒng)將模擬電子技術(shù)、單片機(jī)原理及通信原理等知識(shí)有機(jī)結(jié)合在一起,有利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力及綜合能力,可作為電子信息工程、測(cè)控技術(shù)及儀器等專(zhuān)業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容。

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