数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的应用研究

发布时间：2017-08-01 14:33

  本文关键词：数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的应用研究

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【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。最后经过数字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,对其数字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的数字信号解调系统设计,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的数字解调系统测试,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的数字解调系统,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的数字解调系统进行连接,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 数字信号解调 可编程门阵列芯片
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN722;TN911.23
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 课题来源和背景11-13
• 1.2 国内外研究现状13-15
• 1.2.1 国外现状14-15
• 1.2.2 国内现状15
• 1.3 课题研究目的及意义15-16
• 1.4 本文主要研究内容16-18
• 第二章 光电信号检测系统基本原理及仿真设计18-37
• 2.1 锁相放大器的原理及仿真19-27
• 2.1.1 自相关函数及自相关检测理论19-20
• 2.1.2 互相关函数及互相关检测理论20-22
• 2.1.3 数字信号解调基本原理22-23
• 2.1.4 信号解调频率偏移误差分析23-25
• 2.1.5 锁相放大器仿真25-27
• 2.2 前置放大电路的仿真与设计27-36
• 2.2.1 放大电路的理论分析27-30
• 2.2.2 放大电路的仿真设计30-31
• 2.2.3 抗混叠低通滤波器设计与仿真31-34
• 2.2.4 放大电路噪声和干扰分析和处理34-36
• 2.3 小结36-37
• 第三章 硬件电路设计与实现37-43
• 3.1 信号检测电路原理37
• 3.2 前置I/V转换放大电路设计37-40
• 3.2.1 基于LMC6062的第一级放大电路设计37-39
• 3.2.2 基于LF442的第二级放大电路设计39-40
• 3.3 抗混叠滤波器硬件电路设计40
• 3.4 基于AD9280的8位A/D转换设计40-41
• 3.5 硬件电路整体结构41-42
• 3.6 小结42-43
• 第四章 数字信号解调的设计与实现43-57
• 4.1 参考信号设计43-47
• 4.1.1 DDS函数信号发生器工作原理44-45
• 4.1.2 DDS函数信号发生器设计45-47
• 4.2 基于FFT的自动频率跟踪设计47-51
• 4.2.1 快速傅里叶变换原理47-49
• 4.2.2 频率跟踪模块设计49-51
• 4.3 DLIA核心算法设计51-53
• 4.4 数字解调系统的总体设计53-56
• 4.5 小结56-57
• 第五章 系统总体设计与实验验证57-62
• 5.1 硬件放大电路测试57-58
• 5.2 光电检测系统实验验证58-61
• 5.2.1 基于FPGA的数字信号解调系统验证58-59
• 5.2.2 光电检测系统整体测试59-61
• 5.3 小结61-62
• 结论62-64
• 参考文献64-66
• 致谢66-67
• 附录A FPGA最小系统原理图67-68
• 附录B FPGA扩展管脚图68-69
• 附录C FPGA印刷电路板69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 孟浩玉;王彦;汪诚伟;胡兴柳;方挺;;基于锁相放大原理的微弱光信号检测系统设计[J];光学与光电技术;2014年06期

2 张丹;刘新华;张家亮;;一种适用于微弱传感信号检测的锁相放大电路[J];计算机工程与应用;2013年15期

3 范松涛;周燕;张强;潘教青;;基于FPGA的数字锁相放大器在气体探测中的应用[J];计算机测量与控制;2012年11期

4 赵玲;田小建;梁磊;郑传涛;王一丁;;基于自动频率跟踪的虚拟数字锁相放大器[J];吉林大学学报(信息科学版);2012年01期

5 杜习光;;微弱光信号检测电路的设计[J];电子元器件应用;2010年01期

6 刘俊岩;戴景民;王扬;;红外锁相法热波检测技术及缺陷深度测量[J];光学精密工程;2010年01期

7 殷晓鲁;李俊;潘元宾;郝影;王雪萍;王治洋;蔡红星;张芳向;;基于虚拟仪器的锁相放大设计[J];电子测试;2007年10期

8 肖寅东;赵辉;王厚军;;基于锁相放大的微弱信号检测电路前置滤波器设计[J];测控技术;2007年03期

9 孙志斌;陈佳圭;;锁相放大器的新进展[J];物理;2006年10期

10 陈宜生;;外光电效应及其应用[J];物理通报;1994年05期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 胡庆荣;张嘉鹏;王自鑫;;一种新型数字锁相放大器的实现[A];广州市仪器仪表学会2009年学术年会论文集[C];2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 许文佳;基于FPGA的数字锁相放大器的设计与研究[D];吉林大学;2012年

2 李凤鸣;基于DSP的数字锁相放大器的设计[D];哈尔滨工程大学;2011年

，

本文编号：604744