数字锁相放大器的实现研究

论文摘要

微弱信号检测问题一直是测量领域重点研究的问题。微弱信号检测的首要任务是提高信噪比,需要综合采用电子学、信息论、计算机以及物理学的方法。数字锁相放大器利用相关检测原理,用于检测微弱的周期信号。由于其具有响应速度较快、精度较高、测试范围较宽和成本较低等优点,而被广泛应用于如电学、光学、热学及生物学等方面的测量。本文目的是研制一款测量频率范围较宽、测量精度较高、性能稳定的数字锁相放大器。首先,本文归纳总结了常用的微弱信号检测的方法,分析了微弱信号检测的原理。接着重点对锁相放大器的基本原理和组成结构进行了详细的推导和论述,最后结合国内外的发展现状,分析了锁相放大技术的发展趋势。针对数字锁相放大器（DLIA）的工作原理,本文以数字信号处理器（DSP）为核心,设计了一种正交矢量型数字锁相放大器。为了保证实时性和稳定性,系统在采用了一种采样频率可控的双缓冲结构,并结合这种结构设计了高效的解调算法。实验证明此结构的最高采样率可达640KHz。第三章详细介绍了DLIA的硬件结构和基本的工作原理,并对关键部分的电路进行了仿真、分析。第四章对DLIA的解调算法进行研究,对数字解调算法中两个关键部分：正交参考序列以及窄带低通滤波器进行了详细的仿真和分析,并设计了一种高效的窄带低通滤波器。在500KHz的采样频率下,其通带截止频率低至0.45Hz：在1.2Hz的频率处,衰减可达-65dB以下,满足了DLIA对滤波器的精度的要求。最后,搭建了数字锁相放大器的测试平台,并从窄带低通滤波器特性、抗噪声能力、系统线性度及稳定度等方面进行了测试和分析。最后针对测试结果,提出了系统的一些改进方案。测试结果表明：当白噪声峰峰值为待测信号峰峰值的1000倍时,系统的测试误差仍小于0.5%；当待测信号的幅度在1mV到6mV时,系统具有较好的线性度,幅度测试误差小于0.4%;当待测信号的幅度在1uV到40uV时,系统测试的幅度相对误差小于2%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 常见的微弱信号检测技术
• 1.2.2 锁相放大器的发展现状
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 2 锁相放大器的基本理论
• 2.1 单臂锁相放大器
• 2.2 正交矢量型数字锁相放大器
• 2.3 本章小结
• 3 数字锁相放大器结构设计
• 3.1 数字锁相放大器的结构
• 3.1.1 模拟通路设计
• 3.1.2 信号激励通路设计
• 3.1.3 数字解调部分设计
• 3.1.4 控制和显示部分设计
• 3.1.5 系统抗干扰设计
• 3.2 本章小结
• 4 数字锁相放大器的软件设计
• 4.1 系统解调算法设计
• 4.1.1 正交参考序列设计
• 4.1.2 窄带低通滤波器设计
• 4.2 本章小结
• 5 系统测试及性能分析
• 5.1 窄带低通滤波器性能测试
• 5.2 信噪比测试
• 5.2.1 输入信号固定,噪声增加
• 5.2.2 输入信号增加,噪声固定
• 5.3 信号幅度准确性测试
• 5.3.1 大信号测试及分析
• 5.3.2 小信号测试及分析
• 5.4 系统稳定性测试
• 5.5 误差分析和系统改进
• 5.5.1 参考信号与待测信号频偏对测试结果的影响
• 5.5.2 数字信号处理器位数的影响
• 5.5.3 采样ADC量化误差影响
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢