TDLAS专用数字锁相放大器设计及CO 2 检测研究
发布时间：2021-09-22 12:36
TDLAS技术广泛应用于石油、化工、环境监测等领域,具有检测速度快、精度高、可在线检测等特点。TDLAS技术需要数字锁相放大器进行信号处理,传统上的锁相放大器体积大不易集成化,虽然目前对于数字锁相放大器的小型化的研究取得一定进展,但是通用型的激光器控制器体积大,因此无法集成化设计。本文从小型化以及可集成化的角度对TDLAS专用数字锁相放大器进行了设计及CO2检测进行了研究。本文的研究内容如下:1)对气体检测及数字锁相放大器的基本原理进行了介绍与分析,为TDLAS专用数字锁相放大器设计及CO2检测研究提供了理论支撑。2)对TDLAS专用数字锁相放大器及检测系统的硬件模块进行了设计,主要包括:数字锁相放大器模块、激光器控制模块、光电转换模块、检测光路以及电磁干扰屏蔽罩装置,为CO2检测系统的搭建提供了硬件基础。3)根据数字锁相放大器的基本原理设计数字锁相放大器检测程序,主要包括:信号发生器、数据采集模块、混频乘法器模块以及数字低通滤波模块,通过仿真与实验结合的方式,证明了整个检测程序能实现二次谐波解调的功能。4)搭建了CO<...
【文章来源】：中国计量大学浙江省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PCI系列气体检测仪器
中国计量大学硕士学位论文7图1.2MFLI锁相放大器国外虽然已经有相关可用于气体浓度检测的小型化锁相放大仪器，但是这些小型化仪器价格比较昂贵、系统升级过程繁琐，没有将激光控制装置集成化设计，因此，还需要通用的激光控制装置配合使用进行气体检测。国内对锁相放大器在气体检测方面的应用的研究主要体现在如何提高和优化系统检测的下限和检测精度方面，采用的大多数是通用性的锁相放大器和台式的激光器驱动器。近几年来，国内对于锁相放大器的小型化虽然有一定的研究，但是对于锁相放大器在气体检测方面的小型化研究尚不多见，国内并没有国产化的产品。为了能够设计一套小型化和集成化的TDLAS气体浓度检测系统，本文对TDLAS专用数字锁相放大器进行了设计并搭建检测系统，然后对CO2检测进行了研究。其中，数字锁相放大器的D/A转换模块可以输出的电压值为0V~2.5V，由于D/A转换模块的截止频率为80kHz，因此，输出信号的频率小于80kHz。为了提高信号采集质量采用单端转差分的采集方式，A/D转换模块可对-2.5V~2.5V的电压信号进行采集。数字锁相放大器的软件部分的信号发生器模块输出信号相位调节范围为0°~360°,最小相移量为1.4°，数字低通滤波器的截止频率为200Hz，能够有效的将高频信号滤除。本系统研究的优点如下：从小型化和集成化的角度对TDLAS专用数字锁相放大器及检测系统进行了设计，在数字锁相放大器模块的设计中，除了D/A和A/D转换模块部分，其余模块全部在FPGA内部实现，降低硬件成本以及调试难度。数字锁相放大器和激光器控制装置全部小型化设计，激光器控制装置具有噪声低、温度控制精度高、集成化程度高的特点。因此，本文的研究为小型化和集成化的TDLAS气体检测系统的设计提供了一种现实可行的方案。
中国计量大学硕士学位论文20转换驱动激光器。本文使用D/A转换芯片是TI（德州仪器）公司的DAC8830。DAC8830是单路、16位、串行输入、电压输出的数模转换器，供电电压为3V到5V。该转换器具有线性度优良、低故障、低噪声和快速稳定等特点。DAC8830具有标准高速（时钟至50MHz）、3V或5VSPI串行接口以与DSP或微处理器进行通信。DAC8830的输出电压范围为0V至Vref。由于D/A转换精度为16位，所以，输出的电压值与转换码之间的关系为：inoutref65536MAV(3-1)其中，Aout为输出电压，Min转换码，Vref为参考电压。本系统设计D/A转换电路采用的供电电压为5V，旁路电容选用的是10μF与0.1μF，其主要作用是把电源中的高频杂波滤除，防止高频污染，从而降低电源输入对芯片的影响。基准输入电压为2.5V，因此，本文设计的DAC8830转换模块输出的电压的范围为0V~2.5V。输出的模拟信号与利用OPA388设计的电压跟随器相连接，并与截止频率为80kHz的一阶RC低通滤波器连接后输出。电压跟随器的主要作用是阻抗匹配，防止输出的信号幅值发生变化。D/A转换电路连接如图3.3所示。图3.3D/A转换电路连接图在D/A转换模块输出电压为0V的条件下，利用示波器对D/A转换模块的输出噪声电压的峰-峰值进行了测试，得到的测试结果如图3.4所示。可以看出输出噪声的电压峰-峰值为1.276mV，由于本文使用的供电电源为线性电源，线性电源的输出噪声电压的峰-峰值大小在mV量级，因此，本文设计的D/A转换模块的的输出噪声符合设计要求，而D/A转换模块的输出噪声主要来源于供电电压噪声的大校
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DDS技术的函数信号发生器设计[J]. 陈孟臻,陈莹. 沿海企业与科技. 2018(06)
[2]基于DDS技术的扫频信号发生器设计与实现[J]. 朱科. 工业控制计算机. 2018(10)
[3]分布反馈半导体激光器取样光栅特性分析[J]. 王文鑫,吕玉祥. 激光杂志. 2018(10)
[4]基于MATLAB的FIR数字滤波器设计[J]. 谢丽英,房丽敏. 广东第二师范学院学报. 2018(05)
[5]基于光电探测器的激光定位系统设计[J]. 陈宏达,刘鹏,王晓曼,牟畅. 长春理工大学学报(自然科学版). 2018(05)
[6]用于远距离测速的光纤准直器研究[J]. 范源,吴慎将,李党娟. 自动化仪表. 2018(09)
[7]基于光纤准直器的反射式盐度传感器（英文）[J]. 肖冬瑞,黄旭光,姚胜兴,李祖林,洪俊. 红外与激光工程. 2018(07)
[8]环境大气检测中TDLAS技术的应用剖析[J]. 高浩凯,范成成. 资源节约与环保. 2018(04)
[9]基于FPGA的FIR滤波器在超声导波接收系统中信号降噪的应用[J]. 何存富,王森,吴强,刘增华,吴斌. 北京工业大学学报. 2018(05)
[10]基于DDS技术的信号发生器的设计与实现[J]. 丁蓉,杨俊杰. 上海电力学院学报. 2017(06)
硕士论文
[1]基于DDS的高性能雷达信号发生器的设计和实现[D]. 王韧.西安电子科技大学 2017
[2]基于TDLAS的柴油机SCR氨污染检测系统研究[D]. 李丛蓉.天津科技大学 2017
[3]飞秒光学频率梳频率锁定的研究[D]. 孙继芬.华中科技大学 2016
[4]导航卫星星间链路激光调制技术研究[D]. 徐皓.华中科技大学 2016
[5]基于TDLAS的气相过氧化氢浓度测量技术的研究[D]. 季军.浙江大学 2015
[6]基于光纤准直器的新型实用化ROADM研究[D]. 董章龙.浙江工业大学 2013
[7]TDLAS气体检测中二次谐波的锁相放大器的研究[D]. 曹天书.吉林大学 2013
[8]基于FPGA的DDS信号发生器的研究[D]. 黄燕.南京林业大学 2012
[9]光谱吸收式一氧化碳气体浓度检测系统的研究[D]. 郭永帅.大连理工大学 2012
[10]煤矿安全检测系统中甲烷气体检测仪的研制[D]. 徐珍.武汉科技大学 2011
本文编号：3403771
【文章来源】：中国计量大学浙江省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PCI系列气体检测仪器
中国计量大学硕士学位论文7图1.2MFLI锁相放大器国外虽然已经有相关可用于气体浓度检测的小型化锁相放大仪器，但是这些小型化仪器价格比较昂贵、系统升级过程繁琐，没有将激光控制装置集成化设计，因此，还需要通用的激光控制装置配合使用进行气体检测。国内对锁相放大器在气体检测方面的应用的研究主要体现在如何提高和优化系统检测的下限和检测精度方面，采用的大多数是通用性的锁相放大器和台式的激光器驱动器。近几年来，国内对于锁相放大器的小型化虽然有一定的研究，但是对于锁相放大器在气体检测方面的小型化研究尚不多见，国内并没有国产化的产品。为了能够设计一套小型化和集成化的TDLAS气体浓度检测系统，本文对TDLAS专用数字锁相放大器进行了设计并搭建检测系统，然后对CO2检测进行了研究。其中，数字锁相放大器的D/A转换模块可以输出的电压值为0V~2.5V，由于D/A转换模块的截止频率为80kHz，因此，输出信号的频率小于80kHz。为了提高信号采集质量采用单端转差分的采集方式，A/D转换模块可对-2.5V~2.5V的电压信号进行采集。数字锁相放大器的软件部分的信号发生器模块输出信号相位调节范围为0°~360°,最小相移量为1.4°，数字低通滤波器的截止频率为200Hz，能够有效的将高频信号滤除。本系统研究的优点如下：从小型化和集成化的角度对TDLAS专用数字锁相放大器及检测系统进行了设计，在数字锁相放大器模块的设计中，除了D/A和A/D转换模块部分，其余模块全部在FPGA内部实现，降低硬件成本以及调试难度。数字锁相放大器和激光器控制装置全部小型化设计，激光器控制装置具有噪声低、温度控制精度高、集成化程度高的特点。因此，本文的研究为小型化和集成化的TDLAS气体检测系统的设计提供了一种现实可行的方案。
中国计量大学硕士学位论文20转换驱动激光器。本文使用D/A转换芯片是TI（德州仪器）公司的DAC8830。DAC8830是单路、16位、串行输入、电压输出的数模转换器，供电电压为3V到5V。该转换器具有线性度优良、低故障、低噪声和快速稳定等特点。DAC8830具有标准高速（时钟至50MHz）、3V或5VSPI串行接口以与DSP或微处理器进行通信。DAC8830的输出电压范围为0V至Vref。由于D/A转换精度为16位，所以，输出的电压值与转换码之间的关系为：inoutref65536MAV(3-1)其中，Aout为输出电压，Min转换码，Vref为参考电压。本系统设计D/A转换电路采用的供电电压为5V，旁路电容选用的是10μF与0.1μF，其主要作用是把电源中的高频杂波滤除，防止高频污染，从而降低电源输入对芯片的影响。基准输入电压为2.5V，因此，本文设计的DAC8830转换模块输出的电压的范围为0V~2.5V。输出的模拟信号与利用OPA388设计的电压跟随器相连接，并与截止频率为80kHz的一阶RC低通滤波器连接后输出。电压跟随器的主要作用是阻抗匹配，防止输出的信号幅值发生变化。D/A转换电路连接如图3.3所示。图3.3D/A转换电路连接图在D/A转换模块输出电压为0V的条件下，利用示波器对D/A转换模块的输出噪声电压的峰-峰值进行了测试，得到的测试结果如图3.4所示。可以看出输出噪声的电压峰-峰值为1.276mV，由于本文使用的供电电源为线性电源，线性电源的输出噪声电压的峰-峰值大小在mV量级，因此，本文设计的D/A转换模块的的输出噪声符合设计要求，而D/A转换模块的输出噪声主要来源于供电电压噪声的大校
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DDS技术的函数信号发生器设计[J]. 陈孟臻,陈莹. 沿海企业与科技. 2018(06)
[2]基于DDS技术的扫频信号发生器设计与实现[J]. 朱科. 工业控制计算机. 2018(10)
[3]分布反馈半导体激光器取样光栅特性分析[J]. 王文鑫,吕玉祥. 激光杂志. 2018(10)
[4]基于MATLAB的FIR数字滤波器设计[J]. 谢丽英,房丽敏. 广东第二师范学院学报. 2018(05)
[5]基于光电探测器的激光定位系统设计[J]. 陈宏达,刘鹏,王晓曼,牟畅. 长春理工大学学报(自然科学版). 2018(05)
[6]用于远距离测速的光纤准直器研究[J]. 范源,吴慎将,李党娟. 自动化仪表. 2018(09)
[7]基于光纤准直器的反射式盐度传感器（英文）[J]. 肖冬瑞,黄旭光,姚胜兴,李祖林,洪俊. 红外与激光工程. 2018(07)
[8]环境大气检测中TDLAS技术的应用剖析[J]. 高浩凯,范成成. 资源节约与环保. 2018(04)
[9]基于FPGA的FIR滤波器在超声导波接收系统中信号降噪的应用[J]. 何存富,王森,吴强,刘增华,吴斌. 北京工业大学学报. 2018(05)
[10]基于DDS技术的信号发生器的设计与实现[J]. 丁蓉,杨俊杰. 上海电力学院学报. 2017(06)
硕士论文
[1]基于DDS的高性能雷达信号发生器的设计和实现[D]. 王韧.西安电子科技大学 2017
[2]基于TDLAS的柴油机SCR氨污染检测系统研究[D]. 李丛蓉.天津科技大学 2017
[3]飞秒光学频率梳频率锁定的研究[D]. 孙继芬.华中科技大学 2016
[4]导航卫星星间链路激光调制技术研究[D]. 徐皓.华中科技大学 2016
[5]基于TDLAS的气相过氧化氢浓度测量技术的研究[D]. 季军.浙江大学 2015
[6]基于光纤准直器的新型实用化ROADM研究[D]. 董章龙.浙江工业大学 2013
[7]TDLAS气体检测中二次谐波的锁相放大器的研究[D]. 曹天书.吉林大学 2013
[8]基于FPGA的DDS信号发生器的研究[D]. 黄燕.南京林业大学 2012
[9]光谱吸收式一氧化碳气体浓度检测系统的研究[D]. 郭永帅.大连理工大学 2012
[10]煤矿安全检测系统中甲烷气体检测仪的研制[D]. 徐珍.武汉科技大学 2011
本文编号：3403771
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