基于FPGA的TDLAS信号处理系统研究

发布时间：2023-06-03 09:04

　　可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的信号处理过程受限于软件平台的局限性,在某些情况下其处理速度与精度无法满足使用要求。因此该论文从光谱学基础知识出发,深入研究朗伯比尔定律,结合波长调制技术和谐波检测技术,提出了基于现场可编程门阵列(FPGA)的TDLAS信号处理方案。为了实现对TDLAS中的信号处理,主要从两个方面出发:一方面为信号调制,即基于FPGA构建调制波生成电路,调制波经过一系列处理后送入压控恒流源,从而对激光器进行电流驱动;另一方面为信号解调,即基于FPGA构建信号解调电路,解调电路从叠加了大量噪声的信号里快速的找出包含气体浓度信息的信号,并从中得到气体浓度。完成系统整体搭建后,对驱动部分和解调部分进行测试。在电流驱动方面,驱动电流最大可以到达224.67mA,且在15-210mA的正常工作范围内,线性度良好,精度平均误差为0.32mA,稳定性γ为0.017%,满足驱动要求,在信号解调方面,谐波幅值的平均相对误差为3.14%,可以更快速准确地实现谐波的检测。

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究及应用现状
    1.3 课题研究的主要内容
第2章 TDLAS理论基础
    2.1 气体分子光谱吸收原理
    2.2 气体分子光谱的线型与线宽
    2.3 朗伯—比尔定律
    2.4 波长调制技术
    2.5 谐波检测技术
    2.6 信号处理系统的整体方案
    2.7 本章小结
第3章 基于FPGA的 TDLAS电流驱动研究
    3.1 TDLAS电流驱动的要求
    3.2 电流驱动的整体方案
    3.3 激光器电流驱动的研究
        3.3.1 数字频率合成技术的研究
        3.3.2 基于FPGA的驱动波发生器的实现
        3.3.3 D/A转换的实现
        3.3.4 基准电压电路的实现
        3.3.5 滤波电路的实现
        3.3.6 压控恒流源的实现
    3.4 激光器温度控制的研究
        3.4.1 激光器内置热敏电阻与TEC的原理
        3.4.2 温控单元选择与温控电路实现
    3.5 本章小结
第4章 基于FPGA的 TDLAS信号解调研究
    4.1 TDLAS信号解调方案
    4.2 信号采集与前置处理
        4.2.1 信号的前置放大处理
        4.2.2 信号的模数转换处理
    4.3 相关检测的理论基础
        4.3.1 自相关检测技术研究
        4.3.2 互相关检测技术研究
        4.3.3 信号的相关解调
    4.4 FPGA相关解调的实现方案
    4.5 参考信号的生成
    4.6 相关数学运算的实现
        4.6.1 乘法运算FPGA的实现
        4.6.2 开方运算FPGA的实现
    4.7 低通滤波器的实现
        4.7.1 FIR滤波器的设计
        4.7.2 FIR滤波器FPGA的实现
    4.8 锁相放大器的整体实现
    4.9 本章小结
第5章 系统测试与结果分析
    5.1 电流驱动测试
        5.1.1 合成波生成测试
        5.1.2 电流源性能测试
    5.2 信号解调测试
    5.3 本章小结
结论
参考文献
致谢



本文编号：3829042