向 臘，李娟娟

（懷化學院，懷化 418000）

數(shù)字鎖相放大器是一種以數(shù)字信號處理為基礎的鎖相放大器。按照數(shù)字化的程度，鎖相放大器分為模擬鎖相放大器，數(shù)?；旌湘i相放大器，數(shù)字鎖相放大器。一般的鎖相放大器主要有振蕩器，混頻器，濾波器組成。數(shù)字鎖相放大器實現(xiàn)了混頻器和濾波器的全數(shù)字化。隨著數(shù)字信號處理技術的不斷提高，數(shù)字鎖相放大器逐漸取代傳統(tǒng)的模擬鎖相放大器。因為信號處理數(shù)字化，數(shù)字鎖相放大器具有集成度高，配置方便，可在線升級等等特點，所以在微弱光電信號檢測中應用數(shù)字鎖相放大器，能夠通過有效提高信號檢測準確度及信號配置合理性，從而促進光電信號檢測系統(tǒng)升級。

1 數(shù)字鎖相放大器的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢

1.1 結(jié)構(gòu)

數(shù)字鎖相放大器包括很多控制器、信號輸入通道及信號檢測儀器，具體有信號輸入通道、參考輸入通道、數(shù)字相敏檢波器、數(shù)字低通濾波器、輸出微處理器和微控制器等，因此與其他信號檢測器相比，器信號檢測準確度更高。

1.2 優(yōu)勢

第一，因為數(shù)字鎖相放大器沒有將直流的放大器放到輸出通道中，所以不但避免了直流放大器不穩(wěn)定性所造成的位移干擾，以及溫度變化所造成的信號干擾等，提高了信號的輸出效率；第二，能夠有效減少信號副值及頻率檢測的誤差，因為數(shù)字鎖相放大器在溫度計時間變化下，內(nèi)部晶振時鐘穩(wěn)定性依然保持，減少了調(diào)制信號和參考信號號的不穩(wěn)定因素，從而提高了檢測的穩(wěn)定性，使數(shù)字信號處理單元能夠及時完成鎖相功能，準確的檢測出微弱光電信號的副值及頻率；第三，采用數(shù)字鎖相放大器的高性能的正交解調(diào)技術，能夠使微弱信號檢測精度能得到很大程度上的提高；第四，隨著技術的發(fā)展，數(shù)字信號處理單元的性價比提高，使數(shù)字鎖相放大器的性價比也得到相應的提高，數(shù)字鎖相技術將會更深入地影響未來的測量技術。

2 數(shù)字鎖相放大器在微弱光電信號檢測中的檢測原理

2.1 自相關函數(shù)及自相關檢測原理

自相關函數(shù)是指不同時間領域，使用同一個函數(shù)進行表達的方式，通常將隨機信號設為f（t），

則f（t）的自相關函數(shù)表達式如下：

式中，T表示為積分時間，信號為f（t），當f（t）為周期信號時T為信號周期，當f（t）為單個脈沖有限長時間信號時T趨向于無窮大的，積分平均值趨向于0。

2.2 互相關函數(shù)及互相關檢測原理

分別將兩個不相關的函數(shù)設為f（t）和g（t），具體的相互相關函數(shù)表達式如下：

式中，假設信號x（t）被外界噪音干擾，形成復合信號f（t）和 g（t），則 ：

圖1 互相關函數(shù)檢測原理圖

2.3 數(shù)字信號解調(diào)基本原理

微弱信號是通過放大電路進行放大后進行檢測的，其原理是指通過放大電路將信息放大，以便于信號的傳輸?shù)娇蓹z測的范圍內(nèi)，然后通過信號模擬來轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后使用FPGA 芯片處理信號，進而實現(xiàn)信號調(diào)整，輸入信號可設為Y（t），具體表達式為：

式中，X（t）表示為等待檢測的信號；N（t）表示為隨機的噪音信號。

3 數(shù)字鎖相放大器仿真

3.1 信號設置參數(shù)

可以利用Matlab中的Simulink工具箱（一種信號檢測軟件），驗證數(shù)字鎖相放大器仿真模型，并檢測出仿真模型的信號設置參數(shù)，具體參數(shù)見表1。

表1 信號設置參數(shù)

具體數(shù)字鎖相放大器仿真驗證結(jié)果顯示，信號頻率在90、副值在9時的相位為1，能夠清晰的看見信號所在位置，證實了數(shù)字鎖相放大器能夠檢測到弱信號。

3.2 信號檢測電路原理

信號檢測的步驟，通常情況下先檢測調(diào)制光信號，然后依次檢測電流信號、電壓信號和數(shù)字信號，相關檢測器具及電路包括光電探測器、前置IV轉(zhuǎn)換電路、二級放大及抗混疊濾波電路和AD轉(zhuǎn)換電路，具體檢測原理過程見圖2。

圖2 檢測電路原理示意圖

從圖2中不難看出調(diào)制光信號可以通過光電探測器輸出、檢測，并轉(zhuǎn)換成電流信號，而電流信號則可以通過前置IV轉(zhuǎn)換成電壓型號，最終通過二級放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路可以將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字壓信號。

3.3 硬件電路整體結(jié)構(gòu)

硬件電路整體結(jié)構(gòu)通常由一級放大電路、二級放大電路、抗混疊濾波電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路及 FPGA 數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)組成，分別處于硬件實物的上中下三層，其中一級放大電路處于第一層；二級放大電路、抗混疊濾波電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路處于第二層；FPGA 數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)組成處于第三層。整體硬件電路系統(tǒng)中所使用的電源為9V干電池，標準電壓應控制在5V的標準上。

4 數(shù)字鎖相放大器在微弱光電信號檢測中的應用驗證

4.1 硬件放大電路測試

光電信號在進行測試時一般都需要先輸入探測器，然后由探測器輸出到一級信號放大器電路中，以同時進行電流信號放大和電流信號轉(zhuǎn)換，而電流信號在放大的同時也放大了隨信號輸入的噪聲，從而減小了信號的強度，所以在一級信號放大器線路進行信號輸入時要特別注意噪音的去除，故需要提高信號放大器的去噪能力。具體測試如下：第一，將一級放點電路性能測試作為硬件放大電路測試的重點，并使用數(shù)字萬用表進行測量；第二，對于測試的電流應選擇標準-2pA電流，測試時還需要在鋁盒中放置電路，已實現(xiàn)對外界信號的屏蔽；第三，通過對于很多微弱的光電信號要使用BNC接頭信號線將其引出，然后進行信號副值及頻率等參數(shù)檢測；第三，控制好測試的次數(shù)及時間，通常測試的頻率為10次/組，測試的時間為5s/次，組件測試的時間間隔為1小時，測試組數(shù)一共為10。

4.2 光電檢測系統(tǒng)應用驗證

4.2.1 在FPGA 數(shù)字信號解調(diào)系統(tǒng)中的應用驗證

應用驗證中所使用設備包括型號為ATF20B DDS的函數(shù)信號發(fā)生器、相位為8位的A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA最小系統(tǒng)和USB Blaster等。具體應用驗證步驟如下：

第一，利用型號為ATF20B DDS的函數(shù)信號發(fā)生器，檢測信號并將信號副值輸出，檢測應用結(jié)果顯示信號副值為5Vpp，頻率為1kHz，待測信號幅度為

100Vpp，信號類型為隨機噪聲信號，在信噪比為：

第二，將兩個不同類型的信號疊加，并通過BNC信號將兩種不同信號輸入AD轉(zhuǎn)換器，然后轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號量，最后對信號進行解調(diào)、疊加和過濾，得出副值為1.5V。第三，采集信號樣本，并將樣本信號通過USB Blaster輸入上位機，然后使用SignalTapⅡ工具觀察樣本信號的波形圖，最后通過數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)檢測信號幅值[8]。

4.2.2 光電檢測系統(tǒng)整體測試

第一，檢測過程中所使用的電流為標準光電信號1pA電流，檢測所使用斬光器調(diào)制頻率應控制在1kHz的標準上，并將需要檢測的信號輸入數(shù)字鎖相放大器中等待檢測；第二，使用數(shù)字鎖相放大器中的光電檢測系統(tǒng)檢測信號，并將檢測出來的數(shù)據(jù)與已經(jīng)確定好的數(shù)據(jù)進行對比，以驗證本研究設計的數(shù)字鎖相放大器光電檢測系統(tǒng)的檢測效果。經(jīng)驗證結(jié)果顯示本文設計的光電檢測系統(tǒng)，其測試幅值誤差在小于0.5%的范圍內(nèi)，頻率測試誤差小于0.2%的范圍內(nèi)，說明本文設計的數(shù)字鎖相放大器應用于微弱光電信號檢測中，具有顯著的微弱光電信號檢測效果，能夠有效減小副值及頻率的檢測誤差，從而提高檢測準確度[9]。

5 結(jié)束語

總之，微弱信號檢測在檢測領域中占據(jù)重要地位，與其他檢測方式相比，其檢測準確度更高，相應的信號轉(zhuǎn)換性能也比較強，因此能夠檢測出微弱信號。如今很多噪音的發(fā)生均將很大一部分的微弱信號完全湮沒，導致這些微弱信號的提取難度非常高，所以要利用先進的現(xiàn)代化技術，去完善和創(chuàng)新微弱信息檢測技術，并構(gòu)建較為完整的微弱光電信號檢測系統(tǒng)，以提高微弱信號檢測水平。數(shù)字鎖相放大器是近年來一種先進的信號檢測儀器，已經(jīng)在大信號檢測領域得到了應用，并取得了良好信號檢測結(jié)果，因此將之應用于微弱信號檢測中，不僅能夠提高微弱信號檢測水平，還能夠提高微弱信號檢測的準確度。所以上文就數(shù)字鎖相放大器的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢，分析了數(shù)字鎖相放大器在微弱光電信號檢測中的檢測原理、數(shù)字鎖相放大器仿真、數(shù)字鎖相放大器在微弱光電信號檢測中的應用驗證。

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