本文關鍵詞：數(shù)字鎖相放大器在微弱光電信號檢測中的應用研究

  更多相關文章： 信號檢測 放大電路 數(shù)字鎖相放大器 DSP Builder 數(shù)字信號解調(diào) 可編程門陣列芯片

【摘要】：光電信號檢測系統(tǒng)中,由于光電探測器表面受到光線照射產(chǎn)生微弱電流,這些電子流非常微弱容易受到強噪聲信號的干擾,傳統(tǒng)的微弱電流信號檢測方法無法進行精確檢測,為減少強噪聲和1/f噪聲對該微弱光電子流的影響,本文設計基于DLIA(Digital Lock-In Amplifier,數(shù)字鎖相放大器)的微弱光電信號檢測系統(tǒng),對這種微弱光電子流信號進行檢測。首先光信號通過斬光器的調(diào)制變?yōu)橹芷诠庑盘?該周期光信號經(jīng)過光電探測器后產(chǎn)生周期性微弱電流信號,再進行電流電壓轉(zhuǎn)換、信號的放大、信號的濾波和信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列處理后,將采樣的數(shù)字信號輸入到數(shù)字信號解調(diào)系統(tǒng)中。最后經(jīng)過數(shù)字信號解調(diào)得到光電信號幅值等信息。首先,本文進行函數(shù)自相關和互相關原理分析,對其數(shù)字模型進行了深入的研究,通過對比兩種數(shù)學模型得到互相關原理在抗噪聲干擾能力上更優(yōu)。因此,采用互相關原理設計鎖相放大器,其主要通過外部參考信號對周期信號進行解調(diào),得到強噪聲背景下待測信號幅值和相位等信息,隨后進行Matlab軟件仿真理論驗證。為使微弱光電信號能夠輸入到數(shù)字鎖相放大器的信號解調(diào)器中,需要對這種微弱光電信號進行的放大和濾波,設計放大倍數(shù)為1012倍二階放大電路和截止頻率為8kHz的二階抗混疊濾波器,對信號放大電路和濾波電路中各個元器件參數(shù)進行計算,采用Multisim軟件進行仿真驗證。其次,硬件放大電路設計主要基于Multisim軟件仿真的理論支撐,第一級放大電路進行I/V轉(zhuǎn)換,將微弱電流信號轉(zhuǎn)換電壓信號并放大1011倍,也是硬件電路最重要一部分,直接影響全部系統(tǒng)檢測系能,本文對目前市場高精度、低噪聲的運放芯片進行對比,第一級和第二級放大電路分別采用LMC6062運放和LF442運放進行設計。信號經(jīng)過放大后進入抗混疊濾波器進行濾波,濾除高頻噪聲的干擾,再將信號輸入到8位高速A/D轉(zhuǎn)換芯片中,最后經(jīng)過A/D(Analog to Digital Converter,模數(shù)轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)中進行信號的相關調(diào)制。最后,對基于FPGA的數(shù)字信號解調(diào)系統(tǒng)設計,采用DSP Builder工具箱進行四個部分的設計:(1)待測信號頻率提取設計,主要通過對待測信號進行FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里葉變換),待測信號FFT后有最大頻幅響應,從而提取對應頻率信息。(2)基于DDS(Direct Digital Synthesizer,直接數(shù)字式頻率合成器)函數(shù)信號發(fā)生器的參考信號設計,主要提供數(shù)字信號解調(diào)中的輸入的正弦和余弦參考信號,其頻率字信息由待測信號頻率提取部分。(3)數(shù)字信號處理的乘法器設計,主要功能是實現(xiàn)待測信號與參考信號之間的相敏檢波,即數(shù)字信號處理中為乘法運算。(4)基于FIR(Finite ImpulseResponse,有限長單位沖激響應)低通濾波器設計,主要功能是實現(xiàn)數(shù)字信號積分功能的替換。將各個模塊聯(lián)接在一起調(diào)試,將編譯好的工程文件下載到FPGA芯片中完成數(shù)字信號解調(diào)設計。對光電檢測系統(tǒng)進行測試,首先對硬件放大電路進行測試,測試結(jié)果表明第一級I/V轉(zhuǎn)換電路能夠?qū)?2pA的電流信號放大0.2V的電壓信號,誤差范圍為1.5%。其次對基于FPGA的數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)測試,采用ATTEN函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生標準輸入測試信號,實驗結(jié)果顯示,基于FPGA的數(shù)字解調(diào)系統(tǒng),檢測微弱光電信號工作性能穩(wěn)定,檢測精度高,在信噪比RSNR≈-26dB時,最小檢測精度能夠到達為0.02pA。最后將微弱信號檢測放大電路和基于FPGA的數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)進行連接,測試光電檢測系統(tǒng)對實際光電信號檢測效果,測試表明光電信號系統(tǒng)的測試幅值誤差小于±0.5%,系統(tǒng)的頻率跟蹤測試誤差小于±0.2%,因此得出結(jié)論本文設計的光電檢測系統(tǒng)對實際光電信號檢測能夠很好的完成檢測,參考信號頻率的追蹤性能良好,提高了微弱光電信號檢測系統(tǒng)的檢測精度。
【關鍵詞】：信號檢測 放大電路 數(shù)字鎖相放大器 DSP Builder 數(shù)字信號解調(diào) 可編程門陣列芯片
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN722;TN911.23
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-18
• 1.1 課題來源和背景11-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.1 國外現(xiàn)狀14-15
• 1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀15
• 1.3 課題研究目的及意義15-16
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容16-18
• 第二章 光電信號檢測系統(tǒng)基本原理及仿真設計18-37
• 2.1 鎖相放大器的原理及仿真19-27
• 2.1.1 自相關函數(shù)及自相關檢測理論19-20
• 2.1.2 互相關函數(shù)及互相關檢測理論20-22
• 2.1.3 數(shù)字信號解調(diào)基本原理22-23
• 2.1.4 信號解調(diào)頻率偏移誤差分析23-25
• 2.1.5 鎖相放大器仿真25-27
• 2.2 前置放大電路的仿真與設計27-36
• 2.2.1 放大電路的理論分析27-30
• 2.2.2 放大電路的仿真設計30-31
• 2.2.3 抗混疊低通濾波器設計與仿真31-34
• 2.2.4 放大電路噪聲和干擾分析和處理34-36
• 2.3 小結(jié)36-37
• 第三章 硬件電路設計與實現(xiàn)37-43
• 3.1 信號檢測電路原理37
• 3.2 前置I/V轉(zhuǎn)換放大電路設計37-40
• 3.2.1 基于LMC6062的第一級放大電路設計37-39
• 3.2.2 基于LF442的第二級放大電路設計39-40
• 3.3 抗混疊濾波器硬件電路設計40
• 3.4 基于AD9280的8位A/D轉(zhuǎn)換設計40-41
• 3.5 硬件電路整體結(jié)構(gòu)41-42
• 3.6 小結(jié)42-43
• 第四章 數(shù)字信號解調(diào)的設計與實現(xiàn)43-57
• 4.1 參考信號設計43-47
• 4.1.1 DDS函數(shù)信號發(fā)生器工作原理44-45
• 4.1.2 DDS函數(shù)信號發(fā)生器設計45-47
• 4.2 基于FFT的自動頻率跟蹤設計47-51
• 4.2.1 快速傅里葉變換原理47-49
• 4.2.2 頻率跟蹤模塊設計49-51
• 4.3 DLIA核心算法設計51-53
• 4.4 數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)的總體設計53-56
• 4.5 小結(jié)56-57
• 第五章 系統(tǒng)總體設計與實驗驗證57-62
• 5.1 硬件放大電路測試57-58
• 5.2 光電檢測系統(tǒng)實驗驗證58-61
• 5.2.1 基于FPGA的數(shù)字信號解調(diào)系統(tǒng)驗證58-59
• 5.2.2 光電檢測系統(tǒng)整體測試59-61
• 5.3 小結(jié)61-62
• 結(jié)論62-64
• 參考文獻64-66
• 致謝66-67
• 附錄A FPGA最小系統(tǒng)原理圖67-68
• 附錄B FPGA擴展管腳圖68-69
• 附錄C FPGA印刷電路板69

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 孟浩玉;王彥;汪誠偉;胡興柳;方挺;;基于鎖相放大原理的微弱光信號檢測系統(tǒng)設計[J];光學與光電技術(shù);2014年06期

2 張丹;劉新華;張家亮;;一種適用于微弱傳感信號檢測的鎖相放大電路[J];計算機工程與應用;2013年15期

3 范松濤;周燕;張強;潘教青;;基于FPGA的數(shù)字鎖相放大器在氣體探測中的應用[J];計算機測量與控制;2012年11期

4 趙玲;田小建;梁磊;鄭傳濤;王一丁;;基于自動頻率跟蹤的虛擬數(shù)字鎖相放大器[J];吉林大學學報(信息科學版);2012年01期

5 杜習光;;微弱光信號檢測電路的設計[J];電子元器件應用;2010年01期

6 劉俊巖;戴景民;王揚;;紅外鎖相法熱波檢測技術(shù)及缺陷深度測量[J];光學精密工程;2010年01期

7 殷曉魯;李俊;潘元賓;郝影;王雪萍;王治洋;蔡紅星;張芳向;;基于虛擬儀器的鎖相放大設計[J];電子測試;2007年10期

8 肖寅東;趙輝;王厚軍;;基于鎖相放大的微弱信號檢測電路前置濾波器設計[J];測控技術(shù);2007年03期

9 孫志斌;陳佳圭;;鎖相放大器的新進展[J];物理;2006年10期

10 陳宜生;;外光電效應及其應用[J];物理通報;1994年05期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 胡慶榮;張嘉鵬;王自鑫;;一種新型數(shù)字鎖相放大器的實現(xiàn)[A];廣州市儀器儀表學會2009年學術(shù)年會論文集[C];2010年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 許文佳;基于FPGA的數(shù)字鎖相放大器的設計與研究[D];吉林大學;2012年

2 李鳳鳴;基于DSP的數(shù)字鎖相放大器的設計[D];哈爾濱工程大學;2011年

，

本文編號：604744