基于数字锁相放大器的微弱光电信号检测研究

发布时间：2017-04-25 08:13

  本文关键词：基于数字锁相放大器的微弱光电信号检测研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：光电信号检测系统中,由于光电探测器表面受到光线照射产生微弱电流,这些电子流非常微弱容易受到强噪声信号的干扰,传统的微弱电流信号检测方法无法进行精确检测,为减少强噪声和1/f噪声对该微弱光电子流的影响,本文设计基于DLIA(Digital Lock-In Amplifier,数字锁相放大器)的微弱光电信号检测系统,对这种微弱光电子流信号进行检测。首先光信号通过斩光器的调制变为周期光信号,该周期光信号经过光电探测器后产生周期性微弱电流信号,再进行电流电压转换、信号的放大、信号的滤波和信号的模数转换等一系列处理后,将采样的数字信号输入到数字信号解调系统中。最后经过数学信号解调得到光电信号幅值等信息。首先,本文进行函数自相关和互相关原理分析,对其数学模型进行了深入的研究,通过对比两种数学模型得到互相关原理在抗噪声干扰能力上更优。因此,采用互相关原理设计锁相放大器,其主要通过外部参考信号对周期信号进行解调,得到强噪声背景下待测信号幅值和相位等信息,随后进行Matlab软件仿真理论验证。为使微弱光电信号能够输入到数字锁相放大器的信号解调器中,需要对这种微弱光电信号进行的放大和滤波,设计放大倍数为1012倍二阶放大电路和截止频率为8kHz的二阶抗混叠滤波器,对信号放大电路和滤波电路中各个元器件参数进行计算,采用Multisim软件进行仿真验证。其次,硬件放大电路设计主要基于Multisim软件仿真的理论支撑,第一级放大电路进行I/V转换,将微弱电流信号转换电压信号并放大1011倍,也是硬件电路最重要一部分,直接影响全部系统检测系能,本文对目前市场高精度、低噪声的运放芯片进行对比,第一级和第二级放大电路分别采用LMC6062运放和LF442运放进行设计。信号经过放大后进入抗混叠滤波器进行滤波,滤除高频噪声的干扰,再将信号输入到8位高速A/D转换芯片中,最后经过A/D(Analog to Digital Converter,模数转换器)转换后输入到FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)中进行信号的相关调制。最后,对基于FPGA的数学信号解调系统设计,采用DSP Builder工具箱进行四个部分的设计:(1)待测信号频率提取设计,主要通过对待测信号进行FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换),待测信号FFT后有最大频幅响应,从而提取对应频率信息。(2)基于DDS(Direct Digital Synthesizer,直接数字式频率合成器)函数信号发生器的参考信号设计,主要提供数字信号解调中的输入的正弦和余弦参考信号,其频率字信息由待测信号频率提取部分。(3)数字信号处理的乘法器设计,主要功能是实现待测信号与参考信号之间的相敏检波,即数字信号处理中为乘法运算。(4)基于FIR(Finite ImpulseResponse,有限长单位冲激响应)低通滤波器设计,主要功能是实现数字信号积分功能的替换。将各个模块联接在一起调试,将编译好的工程文件下载到FPGA芯片中完成数字信号解调设计。对光电检测系统进行测试,首先对硬件放大电路进行测试,测试结果表明第一级I/V转换电路能够将-2pA的电流信号放大0.2V的电压信号,误差范围为1.5%。其次对基于FPGA的数学解调系统测试,采用ATTEN函数信号发生器产生标准输入测试信号,实验结果显示,基于FPGA的数学解调系统,检测微弱光电信号工作性能稳定,检测精度高,在信噪比RSNR≈-26dB时,最小检测精度能够到达为0.02pA。最后将微弱信号检测放大电路和基于FPGA的数学解调系统进行连接,测试光电检测系统对实际光电信号检测效果,测试表明光电信号系统的测试幅值误差小于±0.5%,系统的频率跟踪测试误差小于±0.2%,因此得出结论本文设计的光电检测系统对实际光电信号检测能够很好的完成检测,参考信号频率的追踪性能良好,提高了微弱光电信号检测系统的检测精度。
【关键词】：信号检测 放大电路 数字锁相放大器 DSP Builder 数学信号解调 可编程门阵列芯片
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.23;TN722
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 课题来源和背景10-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.2.1 国外现状12-13
• 1.2.2 国内现状13-14
• 1.3 课题研究目的及意义14
• 1.4 本文主要研究内容14-16
• 2 光电信号检测系统基本原理及仿真设计16-33
• 2.1 锁相放大器的原理及仿真16-24
• 2.1.1 自相关函数及自相关检测理论17-18
• 2.1.2 互相关函数及互相关检测理论18-19
• 2.1.3 数字信号解调基本原理19-21
• 2.1.4 信号解调频率偏移误差分析21-22
• 2.1.5 锁相放大器仿真22-24
• 2.2 前置放大电路的仿真与设计24-32
• 2.2.1 放大电路的理论分析24-27
• 2.2.2 放大电路的仿真设计27-28
• 2.2.3 抗混叠低通滤波器设计与仿真28-31
• 2.2.4 放大电路噪声和干扰分析和处理31-32
• 2.3 小结32-33
• 3 硬件电路设计与实现33-39
• 3.1 信号检测电路原理33
• 3.2 前置I/V转换放大电路设计33-36
• 3.2.1 基于LMC6062的第一级放大电路设计33-34
• 3.2.2 基于LF442的第二级放大电路设计34-36
• 3.3 抗混叠滤波器硬件电路设计36
• 3.4 基于AD9280的8位A/D转换设计36-37
• 3.5 硬件电路整体结构37-38
• 3.6 小结38-39
• 4 数字信号解调的设计与实现39-52
• 4.1 参考信号设计39-42
• 4.1.1 DDS函数信号发生器工作原理40-41
• 4.1.2 DDS函数信号发生器设计41-42
• 4.2 基于FFT的自动频率跟踪设计42-46
• 4.2.1 快速傅里叶变换原理43-44
• 4.2.2 频率跟踪模块设计44-46
• 4.3 DLIA核心算法设计46-49
• 4.4 数字解调系统的总体设计49-51
• 4.5 小结51-52
• 5 系统总体设计与实验验证52-57
• 5.1 硬件放大电路测试52-53
• 5.2 光电检测系统实验验证53-56
• 5.2.1 基于FPGA的数字信号解调系统验证53-54
• 5.2.2 光电检测系统整体测试54-56
• 5.3 小结56-57
• 结论57-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-63
• 附录A FPGA最小系统原理图63-64
• 附录B FPGA扩展管脚图64-65
• 附录C FPGA印刷电路板65-66
• 附录D 基于自动频率跟踪数字锁相放大器系统66-67
• 攻读学位期间的研究成果67

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本文编号：325981