本文關(guān)鍵詞：數(shù)字鎖相放大器在微弱光電信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用研究

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【摘要】：光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中,由于光電探測(cè)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(qiáng)噪聲信號(hào)的干擾,傳統(tǒng)的微弱電流信號(hào)檢測(cè)方法無法進(jìn)行精確檢測(cè),為減少?gòu)?qiáng)噪聲和1/f噪聲對(duì)該微弱光電子流的影響,本文設(shè)計(jì)基于DLIA(Digital Lock-In Amplifier,數(shù)字鎖相放大器)的微弱光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)這種微弱光電子流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。首先光信號(hào)通過斬光器的調(diào)制變?yōu)橹芷诠庑盘?hào),該周期光信號(hào)經(jīng)過光電探測(cè)器后產(chǎn)生周期性微弱電流信號(hào),再進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換、信號(hào)的放大、信號(hào)的濾波和信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列處理后,將采樣的數(shù)字信號(hào)輸入到數(shù)字信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)中。最后經(jīng)過數(shù)字信號(hào)解調(diào)得到光電信號(hào)幅值等信息。首先,本文進(jìn)行函數(shù)自相關(guān)和互相關(guān)原理分析,對(duì)其數(shù)字模型進(jìn)行了深入的研究,通過對(duì)比兩種數(shù)學(xué)模型得到互相關(guān)原理在抗噪聲干擾能力上更優(yōu)。因此,采用互相關(guān)原理設(shè)計(jì)鎖相放大器,其主要通過外部參考信號(hào)對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行解調(diào),得到強(qiáng)噪聲背景下待測(cè)信號(hào)幅值和相位等信息,隨后進(jìn)行Matlab軟件仿真理論驗(yàn)證。為使微弱光電信號(hào)能夠輸入到數(shù)字鎖相放大器的信號(hào)解調(diào)器中,需要對(duì)這種微弱光電信號(hào)進(jìn)行的放大和濾波,設(shè)計(jì)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(duì)信號(hào)放大電路和濾波電路中各個(gè)元器件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,采用Multisim軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。其次,硬件放大電路設(shè)計(jì)主要基于Multisim軟件仿真的理論支撐,第一級(jí)放大電路進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換,將微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)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(cè)系能,本文對(duì)目前市場(chǎng)高精度、低噪聲的運(yùn)放芯片進(jìn)行對(duì)比,第一級(jí)和第二級(jí)放大電路分別采用LMC6062運(yùn)放和LF442運(yùn)放進(jìn)行設(shè)計(jì)。信號(hào)經(jīng)過放大后進(jìn)入抗混疊濾波器進(jìn)行濾波,濾除高頻噪聲的干擾,再將信號(hào)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(chǎng)可編程邏輯門陣列)中進(jìn)行信號(hào)的相關(guān)調(diào)制。最后,對(duì)基于FPGA的數(shù)字信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用DSP Builder工具箱進(jìn)行四個(gè)部分的設(shè)計(jì):(1)待測(cè)信號(hào)頻率提取設(shè)計(jì),主要通過對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里葉變換),待測(cè)信號(hào)FFT后有最大頻幅響應(yīng),從而提取對(duì)應(yīng)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(hào)發(fā)生器的參考信號(hào)設(shè)計(jì),主要提供數(shù)字信號(hào)解調(diào)中的輸入的正弦和余弦參考信號(hào),其頻率字信息由待測(cè)信號(hào)頻率提取部分。(3)數(shù)字信號(hào)處理的乘法器設(shè)計(jì),主要功能是實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)之間的相敏檢波,即數(shù)字信號(hào)處理中為乘法運(yùn)算。(4)基于FIR(Finite ImpulseResponse,有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng))低通濾波器設(shè)計(jì),主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)積分功能的替換。將各個(gè)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(hào)解調(diào)設(shè)計(jì)。對(duì)光電檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,首先對(duì)硬件放大電路進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明第一級(jí)I/V轉(zhuǎn)換電路能夠?qū)?2pA的電流信號(hào)放大0.2V的電壓信號(hào),誤差范圍為1.5%。其次對(duì)基于FPGA的數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)測(cè)試,采用ATTEN函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)輸入測(cè)試信號(hào),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,基于FPGA的數(shù)字解調(diào)系統(tǒng),檢測(cè)微弱光電信號(hào)工作性能穩(wěn)定,檢測(cè)精度高,在信噪比RSNR≈-26dB時(shí),最小檢測(cè)精度能夠到達(dá)為0.02pA。最后將微弱信號(hào)檢測(cè)放大電路和基于FPGA的數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行連接,測(cè)試光電檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際光電信號(hào)檢測(cè)效果,測(cè)試表明光電信號(hào)系統(tǒng)的測(cè)試幅值誤差小于±0.5%,系統(tǒng)的頻率跟蹤測(cè)試誤差小于±0.2%,因此得出結(jié)論本文設(shè)計(jì)的光電檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際光電信號(hào)檢測(cè)能夠很好的完成檢測(cè),參考信號(hào)頻率的追蹤性能良好,提高了微弱光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。
【關(guān)鍵詞】：信號(hào)檢測(cè) 放大電路 數(shù)字鎖相放大器 DSP Builder 數(shù)字信號(hào)解調(diào) 可編程門陣列芯片
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.1 國(guó)外現(xiàn)狀14-15
• 1.2.2 國(guó)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?jī)?nèi)容16-18
• 第二章 光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)基本原理及仿真設(shè)計(jì)18-37
• 2.1 鎖相放大器的原理及仿真19-27
• 2.1.1 自相關(guān)函數(shù)及自相關(guān)檢測(cè)理論19-20
• 2.1.2 互相關(guān)函數(shù)及互相關(guān)檢測(cè)理論20-22
• 2.1.3 數(shù)字信號(hào)解調(diào)基本原理22-23
• 2.1.4 信號(hào)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)30-31
• 2.2.3 抗混疊低通濾波器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)37-43
• 3.1 信號(hào)檢測(cè)電路原理37
• 3.2 前置I/V轉(zhuǎn)換放大電路設(shè)計(jì)37-40
• 3.2.1 基于LMC6062的第一級(jí)放大電路設(shè)計(jì)37-39
• 3.2.2 基于LF442的第二級(jí)放大電路設(shè)計(jì)39-40
• 3.3 抗混疊濾波器硬件電路設(shè)計(jì)40
• 3.4 基于AD9280的8位A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)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(hào)解調(diào)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)43-57
• 4.1 參考信號(hào)設(shè)計(jì)43-47
• 4.1.1 DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器工作原理44-45
• 4.1.2 DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)45-47
• 4.2 基于FFT的自動(dòng)頻率跟蹤設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)49-51
• 4.3 DLIA核心算法設(shè)計(jì)51-53
• 4.4 數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)53-56
• 4.5 小結(jié)56-57
• 第五章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證57-62
• 5.1 硬件放大電路測(cè)試57-58
• 5.2 光電檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證58-61
• 5.2.1 基于FPGA的數(shù)字信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)驗(yàn)證58-59
• 5.2.2 光電檢測(cè)系統(tǒng)整體測(cè)試59-61
• 5.3 小結(jié)61-62
• 結(jié)論62-64
• 參考文獻(xiàn)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(kuò)展管腳圖68-69
• 附錄C FPGA印刷電路板69

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：604744