楊保海，任全會，李海生?

(1.廣西民族師范學(xué)院數(shù)理與與電子信息工程學(xué)院，廣西 崇左 532200；2.河南省高速鐵路運營維護工程研究中心，河南 鄭州 451460)

在電子信息工程領(lǐng)域，噪聲不可避免地以各種形式存在。把微弱信號從含噪信號中精確提取出來是目前很多學(xué)者重點研究的內(nèi)容，微弱信號檢測技術(shù)在工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[1－2]。因為鎖相放大技術(shù)測量精度較高，在微弱信號檢測技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛。模擬鎖相放大器存在很多的問題，比如存在溫度漂移，精度不高，穩(wěn)定性差以及抗噪聲能力差等。

目前市場上的數(shù)字鎖相放大器也存在一些缺點，體積大，無法在線升級，穩(wěn)定性差等[3－4]。為了解決這些問題，文章提出了基于SOPC 數(shù)字鎖相放大器設(shè)計，把數(shù)字鎖相放大器集成到SOPC 系統(tǒng)上。和傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相放大器相比，不但系統(tǒng)穩(wěn)定好、精度高，不受溫漂和偏置的影響[5]，同時放大器的體積也大大縮小，便于攜帶。

1 基于SOPC 數(shù)字鎖相放大器硬件設(shè)計

1.1 總體硬件設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1 所示。整個硬件系統(tǒng)包括信號預(yù)處理、A/D 轉(zhuǎn)換和SOPC 系統(tǒng)三部分。

圖1 總體方框圖

1.2 SOPC 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SOPC 系統(tǒng)選用Altera 公司的Cyclone IV 型FPGA，數(shù)字鎖相放大器使用軟件QuartusⅡ在FPGA上實現(xiàn)[6]，其原理圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)字鎖相放大器原理圖

假設(shè)待測信號是Xi(t)，DCO 會產(chǎn)生一對正交信號[7]，此兩個信號用Xo1(t)和Xo2(t)表示，其表達式為:

式中:Xim表示的是待測信號的幅度，Xom表示的是通過DOC 后的信號幅度，ωi表示的是初始瞬時角頻率，ωo表示的是通過DOC 后的瞬時角頻率，φi表示的是初始瞬時相位，φo表示的是通過DOC 后的瞬時相位。以正交信號的其中一個為例進行分析，因為兩個信號的運算基本相似[8]。

把Xi(t)分別乘以Xo1(t)和Xo2(t)則:

式中:K表示的是乘法器比例因子，F(xiàn)IR 濾波器的主要功能就是把Xd(t)中的和頻分量去掉，同時還要保留住差頻分量，環(huán)路濾波器的主要功能是去掉差頻信號中的高頻噪聲[9]，這樣就可以得到DOC 的控制電壓Xc(t)，Xc1(t)和Xc2(t)是Xc(t)的電壓分量。

輸出信號的頻率可以通過Xc(t)的變化進行調(diào)整:

如果鎖相環(huán)處于相位鎖定的時候，就可以把Xc1(t)和Xc2(t)提取出來，同時就可以把Xi(t)的幅度和相位信息表示出來:

1.3 信號預(yù)處理電路

此電路的主要功能是預(yù)先處理待測信號Xi(t)，這樣A/D 轉(zhuǎn)換時采樣效果更好。預(yù)處理電路主要由三部分構(gòu)成。第一部分是固定增益放大電路，此電路選用OPA657 型集成運算放大器[10]，此電路可以滿足信號頻率為100 kHz，幅度允許最大值是1 μV，硬件電路圖如圖3 所示。

圖3 固定增益電路

第二部分是程控放大電路，此電路選用的是AD8253 型數(shù)控增益儀表放大器。電路圖如圖4所示。

圖4 程控放大電路

第三部分是工頻濾波電路，此電路選用的是NE5532 型低噪運算放大器，電路圖如圖5 所示。此電路在進行信號放大的同時，還通過兩級帶阻濾波器很好地濾除工頻噪聲[11]。

圖5 工頻濾波電路圖

2 軟件設(shè)計

圖6 就是數(shù)字鎖相放大器主程序流程，通過軟件QuartusⅡ在SOPC Builder 環(huán)境下實現(xiàn)，軟件編寫采用匯編語言和硬件描述語言Verilog HDL 語言，除了主程序還包含有液晶顯示驅(qū)動、對鍵盤進行掃描等子程序。

圖6 鎖相放大器主程序流程圖

3 測試結(jié)果和結(jié)論

3.1 測試結(jié)果

為了驗證文章方法的正確性，對系統(tǒng)進行了測試，待測信號通過安捷倫N5182A 信號發(fā)生器和100 dB 衰減網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，測試值通過泰克DSA8300 數(shù)字示波器產(chǎn)生[12]。測試結(jié)果如表1 所示。

通過表1 的測試結(jié)果可以看出，基于SOPC 數(shù)字鎖相放大器最低可以測量幅度為100 nV 的微弱信號。

表1 測試結(jié)果

在被測信號為納伏級的時候誤差率相對較高，但是總體也小于0.35%，但被測信號達到微伏級的時候，誤差率會進一步的降低，可以達到0.1%以下。

測量信號和被測信號的相位差都在10°以下，最低可以達到1°以下。

3.2 結(jié)論

文章介紹了一種基于SOPC 數(shù)字鎖相放大器設(shè)計，數(shù)字鎖相放大器是基于FPGA 實現(xiàn)的，在SOPC Builder 環(huán)境下定制完成，被測信號通過信號預(yù)處理電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路之后輸入到SOPC 系統(tǒng)中進行處理。通過測試可以看出測量精度高，誤差率最低可以達到0.1%以下。此外，此系統(tǒng)穩(wěn)定性好，體積小，便于攜帶，可以實現(xiàn)在線升級，具有良好的工程實用價值。