黃世瑜

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

基于虛擬儀器技術(shù)的鎖相放大器設(shè)計(jì)

黃世瑜

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

鎖相放大器是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器，廣泛的應(yīng)用于科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防科技、精細(xì)加工檢測(cè)等領(lǐng)域.基于虛擬儀器技術(shù)的鎖相放大器無疑使這種應(yīng)用更為方便和高效.本文通過分析鎖相放大器工作原理，測(cè)量信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的互相關(guān)特性，利用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW軟件系統(tǒng)，完成鎖相放大器程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)將所需頻率的微小信號(hào)鎖定并進(jìn)行測(cè)量的數(shù)字鎖相放大器設(shè)計(jì).

鎖相放大器；虛擬儀器；信號(hào)噪聲；相敏檢波器

在弱信號(hào)信號(hào)檢測(cè)與系統(tǒng)處理中，待檢測(cè)信號(hào)往往深埋在噪聲信號(hào)中，噪聲信號(hào)分離是信號(hào)處理核心技術(shù).鎖相放大器(LIA)是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器.它利用和被測(cè)信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻（或者倍頻）、同相的噪聲分量有響應(yīng).因此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測(cè)信噪比.此外，鎖相放大器有很高的檢測(cè)靈敏度，信號(hào)處理比較簡(jiǎn)單，是弱光信號(hào)檢測(cè)的一種有效方法.

SIGNAL RECOVER公司1962年發(fā)明的第一臺(tái)鎖相放大器，突破了弱信號(hào)檢測(cè)過程中噪聲信號(hào)濾除的技術(shù)難題，極大的推動(dòng)了信號(hào)檢測(cè)與信號(hào)調(diào)理技術(shù)的發(fā)展，隨著電子信息工程技術(shù)的不斷發(fā)展，鎖相放大器的發(fā)展也經(jīng)歷了由早初的模擬電子系統(tǒng)、模數(shù)混合電子系統(tǒng)到現(xiàn)在廣泛使用的數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的發(fā)展歷程，弱信號(hào)檢測(cè)與信號(hào)處理在多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.

在當(dāng)前的鎖相放大器工程應(yīng)用中，一般均使用數(shù)字鎖相放大器.在數(shù)字鎖相放大器信號(hào)處理通道中，引入了數(shù)字濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）等技術(shù)，有效的抑制了信號(hào)通道中的各類噪聲信號(hào)，采用數(shù)字系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)控制、監(jiān)視和顯示等輔助功能，為數(shù)字化、虛擬化等“硬件軟化”技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了有效的技術(shù)途徑.

虛擬儀器(Virtual Instruments簡(jiǎn)稱VI)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，根據(jù)測(cè)量信號(hào)的需求，使用軟件技術(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)通用硬件設(shè)備信號(hào)測(cè)量功能.虛擬儀器典型的軟件程序開發(fā)平臺(tái)是LabVIEW，LabVIEW由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研發(fā)，是基于圖形化的程序語言，又稱為“G”語言.是一個(gè)面向最終用戶的程序設(shè)計(jì)工具，使用這種語言編程時(shí)，采用流程圖程序設(shè)計(jì)的方式，在程序的編寫過程中基本上不寫程序代碼.使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率.

1 鎖相放大器工作原理

典型的鎖相放大器模型一般由信號(hào)通道、參考通道和相關(guān)器三部分組成，如圖1所示.在信號(hào)的處理過程中，其核心部件為相關(guān)器，相關(guān)是指兩個(gè)彼此獨(dú)立的函數(shù)，當(dāng)兩個(gè)函數(shù)的乘積對(duì)時(shí)間求積分（平均）為零時(shí)，兩個(gè)函數(shù)的關(guān)系稱為相關(guān)函數(shù).函數(shù)的相關(guān)性可分為自相關(guān)和互相關(guān)兩種.在鎖相放大器中主要目的是從噪聲中取出微弱的有用信號(hào)，由于互相關(guān)檢測(cè)抗干擾能力強(qiáng)，因此在鎖相放大器中一般采用互相關(guān)檢測(cè)原理.利用參考信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相關(guān)，與噪聲頻率不相關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的選擇性放大的目的.

相關(guān)器為相敏檢波器，接收除被測(cè)信號(hào)外，還有一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào).通?；鶞?zhǔn)信號(hào)是和信號(hào)同步的對(duì)稱方波或正弦波，用以驅(qū)動(dòng)相關(guān)器的電子開關(guān)電路.相關(guān)器的作用是完成被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)兩者互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算.從理論上講用一個(gè)模擬乘法器和一個(gè)積分時(shí)間為無窮大的積分器，就可以把深埋在任意噪聲中的微弱信號(hào)檢測(cè)出來.

圖1 典型鎖相放大器框圖

2 基于LabVIEW的鎖相放大器的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)參考信號(hào)源有方波和正弦波兩種方式，本文以方波作為參考信號(hào)的鎖相放大器.這種設(shè)計(jì)將參考信號(hào)設(shè)定為方波并輸入相敏檢波器(PSD)的參考端,所測(cè)信號(hào)作為它的另一個(gè)輸入.

無干擾的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)作為輸入信號(hào)和不同相位的方波相乘后得到的波形（的波形）如圖2所示.

圖2 信號(hào)相乘所得波形

因?yàn)榉讲ǖ母道锶~展開式中sin ［（2n +1 ）ωr］項(xiàng)的存在，以方波作為參考信號(hào)的設(shè)計(jì)會(huì)使系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)中ωr的奇次倍項(xiàng)諧波也發(fā)生響應(yīng)，即系統(tǒng)對(duì)奇次諧波的抑制能力有一定限度.故使用方波為參考信號(hào)的系統(tǒng)尤其需要在信號(hào)通道中設(shè)置帶通濾波器或高通、低通兩個(gè)濾波器以及調(diào)諧放大器，以便對(duì)混雜在被測(cè)信號(hào)中的干擾和噪聲先進(jìn)行一定程度的抑制，加強(qiáng)整個(gè)鎖相放大器對(duì)噪聲和干擾的抑制能力.

根據(jù)上述原理可在LabVIEW下制作鎖相放大器，共分為輸入信號(hào)（包括微弱信號(hào)和噪聲）及其濾波，參考信號(hào)（兩路參考信號(hào)相位差固定，參考相位精密可調(diào)），數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，測(cè)量值顯示以及后級(jí)濾波等部分構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)參考信號(hào)的相位得到輸出最大值，此時(shí)兩信號(hào)相位相同，即可得出輸入信號(hào)的相位.利用兩路有固定相位差參考信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系還可以直接測(cè)得所測(cè)信號(hào)的幅值并顯示出來.

儀器前面板的設(shè)計(jì)盡量符合真實(shí)儀器的效果，有直接數(shù)值輸入、轉(zhuǎn)盤、垂直滑動(dòng)桿開關(guān)、按鈕等多種形式的輸入控件，也有儀表盤、直接數(shù)值輸出和波形圖等多種顯示方式，使得儀器的使用方式盡量直觀，操作盡量方便.鎖相放大器前面板如圖3所示.

圖3 鎖相放大器前面板

儀器的程序框圖使用了循環(huán)結(jié)構(gòu)使其持續(xù)運(yùn)行，直至按停止鍵或系統(tǒng)出錯(cuò)為止.整個(gè)程序自左至右依次實(shí)現(xiàn)的功能大致是：波形采集和處理（左下），參考信號(hào)發(fā)生（左上），數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，顯示輸出.儀器的程序框圖如圖4所示：

輸入信號(hào)（待測(cè)信號(hào)）由Express選板中的“仿真信號(hào)”獲得，“仿真信號(hào)”控件可以產(chǎn)生已知頻率、振幅和相位的正弦波等波形，并可以在波形上疊加各種強(qiáng)度可調(diào)的模擬噪聲信號(hào)（如高斯白噪聲，周期性隨機(jī)噪聲，二項(xiàng)分布噪聲，泊松噪聲等），以達(dá)到真實(shí)輸入信號(hào)的效果.輸入信號(hào)通過前面板左下角的“參考信號(hào)”部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，可改變其幅值、頻率、相位和直流偏移（在原波形上疊加直流信號(hào)）.噪聲的幅值和類型也可控制.

圖4 鎖相放大器程序框圖

參考信號(hào)的獲得也可選用外部參考，使外部參考信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡采集到系統(tǒng)中來.此處系統(tǒng)采用的是內(nèi)部的方波波形生成來得到參考信號(hào)，因?yàn)閮?nèi)部生成的參考信號(hào)參數(shù)比較穩(wěn)定，參數(shù)的調(diào)節(jié)和控制方便，移相時(shí)直接改變生成信號(hào)的相位即可.參考信號(hào)的調(diào)節(jié)由前面板上的“參考信號(hào)”一欄完成，可調(diào)節(jié)方波的幅值，頻率，相位，占空比等，其中參考信號(hào)的相位可精確調(diào)節(jié)（精確到0.1o），以獲得被測(cè)信號(hào)的相位信息.采樣信息包括每秒采樣率（Fs）和每次采樣波形的采樣數(shù)，參考信號(hào)的采樣信息應(yīng)與對(duì)被測(cè)信號(hào)的采樣向協(xié)調(diào).

由于鎖相放大器常用以檢測(cè)微弱信號(hào)和處于較大噪聲環(huán)境下甚至被噪聲淹沒的信號(hào)，前級(jí)應(yīng)對(duì)信號(hào)上疊加的噪聲做初步處理.系統(tǒng)中在前級(jí)對(duì)信號(hào)處理包括濾波和放大，濾波使用的是Labview提供的帶通濾波器，可通過前面板的數(shù)值輸入控件調(diào)節(jié)濾波的高截止頻率和低截止頻率，還可在程序框圖中調(diào)節(jié)濾波器的類型和階數(shù).系統(tǒng)中使用的是7階巴特沃茲濾波器.放大用來使輸入的小信號(hào)與參考信號(hào)的幅值相當(dāng).

前面板的四個(gè)顯示控件分別顯示出輸入信號(hào)的波形和頻譜（功率譜）和信號(hào)經(jīng)濾波放大后的波形和頻譜.然而濾波器的引入使得測(cè)量信號(hào)幅值有一定程度的衰減，并且引進(jìn)了一定的相位偏移，即使得通過濾波器后的信號(hào)相位與最初輸入時(shí)不同，所以參考信號(hào)的相位只能表征相對(duì)的相位差，不代表輸入信號(hào)的絕對(duì)相位.

3 鎖相放大器測(cè)試

利用“模擬波形”對(duì)儀器進(jìn)行了初步測(cè)試，讓儀器測(cè)量被高斯白噪聲淹沒的0.1V正弦信號(hào)，獲得了信號(hào)的幅值和測(cè)量量關(guān)于相位差變化的曲線，如圖5所示.

圖5 工作時(shí)的鎖相放大器前面板

參考相位從0o到360o，每5o取樣測(cè)得的測(cè)量值變化曲線.橫軸為角度，縱軸為幅值.可見得到一條帶有相位偏移的正弦曲線，與理論計(jì)算相符.若采用更長(zhǎng)的平均次數(shù)，即更長(zhǎng)的后級(jí)濾波時(shí)間系數(shù)，可以使數(shù)據(jù)的抖動(dòng)起伏更小.被測(cè)信號(hào)相位偏移由前級(jí)的帶通濾波電路造成，所以當(dāng)調(diào)整輸入信號(hào)和參考信號(hào)相位都為時(shí)0o兩路信號(hào)相交匯時(shí)相對(duì)相位差并不是0o.

圖6 隨相位變化的測(cè)量值曲線

4 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)和制作基于LabVIEW的鎖相放大器，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測(cè)信噪比.可用于檢測(cè)信噪比很低的微弱信號(hào)，達(dá)到鎖相放大器的主要技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、虛擬化等“硬件軟化”的目的.

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責(zé)任編輯：張隆輝

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1672-2094(2014)04-0155-03

2014-05-03

黃世瑜（1978-），男，四川廣安人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系講師工程碩士.研究方向：電子測(cè)量、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。