FPGA主控型数字锁相放大器设计及光谱测量

针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO_(2)浓度低的特点,结合波长调制TDLAS技术,设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器,实现锁相放大和数据采集功能一体化,并将其成功应用于低浓度CO_(2)检测中。为解决低浓度CO_(2)吸收微弱、噪声强等问题,设计了高精度ADC模块,电压分辨率可达0.3 mV;基于DDS原理内部产生正余弦参考信号,保证谐波信号单一性,且实现参考信号频率可调节,覆盖范围1~40 kHz;改进了CIC滤波器,并通过降采样级联FIR滤波器的方式,以较少的硬件资源消耗实现窄带低通滤波,积分时间200μs~20 ms可调;基于CORDIC算法实现平方和开根运算,相较于JPL算法精度更高。为系统更加小型化,基于Qt实现上位机并结合串口通信,使锁相放大器兼具数据采集处理功能。常温常压光程30 m条件下,测量了CO_(2)在2μm波段的吸收光谱,获得波长调制吸收光谱信噪比为102.6,相较于直接吸收信噪比8.8,提高约11.7倍;设计并开展低浓度CO_(2)标定实验,获取二次谐波信号幅值和CO_(2)浓度之间的线性关系,相关度为0.996;在纯氮气条件下,利用Allan方差评估了系统性能,平均时间为2 s时,系统检测下限1.30 ppm(1 ppm=10−6),平均时间为180 s时,系统检测下限0.19 ppm;分析了系统响应时间,可在0.5 s内获取气体浓度。实验结果表明,设计的数字锁相放大器具有测量灵敏度高、参数可调节、能够实时处理和小型化的特点,可满足传输内通道中低浓度CO_(2)的检测需求。

利用数字锁相放大器对甲烷气体进行谐波探测的实验研究

利用数字锁相放大器探测了甲烷气体位于 6 10 5. 36 94cm-1处的弱吸收线的高次谐波 ,并通过计算机实现了对数字锁相放大器的远程控制 ,用VisualBasic 6. 0编制了一套通信应用程序 ,界面友好。实验结果与理论分析相吻合 ,充分验证了数字锁相放大器用于探测微量气体直接吸收光谱的高次谐波 ,能获得相当好的信噪比。可利用此结论对弱吸收线进行探测 。

一种新型数字锁相放大器的设计及其优化算法

为了提高信号的检测准确度,简化数字锁相放大器(digital lock-in amplifier,DLIA)的构建电路,将过采样技术应用到DLIA中;并对过采样引发的大存储量和大运算量问题,提出一种算法,从而有效地减小了数据的存储量和运算量.结果表明,该方法在不需要高性能微处理器支持的情况下,提高了DLIA的检测准确度和性价比,缩小了DLIA的体积,并可广泛应用于微弱信号的检测.

数字正交锁相放大器的研制及其在甲烷检测中的应用

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时,为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度,研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理,设计谐波提取算法,给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1%~5%的甲烷样品以及研制的锁相放大器,开展气体实验.实验结果显示,当甲烷浓度为5%时,在二次谐波对应的频率点处,测得的系统信噪比为34dB,表明设计的锁相放大器具有较好的性能;测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系;考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间,检测系统的响应时间约为96~98s;气体浓度为20 000ppm时,测试浓度波动范围为-92ppm^+118ppm;根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比,本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成,在红外气体检测领域具有很好的应用前景.

基于自动频率跟踪的虚拟数字锁相放大器

为避免传统设计中待测信号与参考信号之间的道间干扰,以及信号传输过程中引入的噪声,设计了一种基于LabVIEW开发平台的虚拟数字锁相放大器(DLIA:Digital Lock-In Amplifer)。通过引入自动频率跟踪模块,大大降低了待测信号与参考信号频率的失配程度。同时,在经典的正交相敏检波算法基础上,通过对输出信号进行优化处理,得到了良好的输出波形。实验结果显示,待测信号的信噪比RSNR可小于-20dB,可检测的最小幅值达10μV,自动频率跟踪模块的锁频误差小于0.02%,信号幅值的测量误差小于0.05%。该设计的自动频率跟踪能力的虚拟DLIA具有良好的测量稳定性。

基于FPGA的数字锁相放大器在气体探测中的应用

介绍了基于波长调制光谱技术的激光气体探测系统的基本原理,详细描述了双相数字锁相放大器基本原理和结构;为了实现模块化高精度在线激光气体检测系统,利用FPGA和模数数模器件设计了数字锁相放大器的硬件电路,将数字锁相算法在FPGA中实现;基于FPGA的数字锁相放大器应用于激光甲烷分析仪中,并对4个标准甲烷气体进行了实际测试,在10%量程范围内示值误差不超过±0.2%;实验表明基于FPGA的数字锁相放大器能够用于高精度在线激光气体探测系统中。

利用数字锁相放大器进行谐波探测的实验研究

利用数字锁相放大器处理光谱信号的高次谐波 ,并实现了计算机对锁相放大器的控制。通过对 Cs原子 D2 线的谐波探测 ,研究结果表明 :锁相放大器用于探测气体的高次谐波 (高于二次 )的直接吸收光谱 ,可以得到较常见的二次谐波探测更高的信噪比。

光纤陀螺中的数字锁相放大器设计

提出了一种用于光纤陀螺信号检测的数字锁相放大器的设计方法。介绍了光纤陀螺信号检测技术的理论依据—相关检测 ,并针对数字闭环光纤陀螺的信号特点 ,对信号检测进行了分析。以此为依据 ,设计了数字锁相放大器 ,其中包括信号通道、参考通道以及相关器的设计 ,并分析了采用相关检测的信噪比改善 ,作了相应的实验。实验结果表明 :设计的检测电路能够满足高精度光纤陀螺信号检测的要求 ,被测陀螺达到了 0 .0 3 (°) /

一种新的应用于锁相放大器的数字相关电路结构设计

为了解决数字锁相放大器在进行数字相关运算中引发的大存储量和大运算问题,首次将电压/频率转换方法引入锁相检测电路中,采用了一种新的数字相关电路结构,极大降低了数字相关运算对处理器高性能的要求;理论分析与实验表明:该数字锁相放大器性价比高、测量响应时间快,在对1mV信号进行测试中,相对误差能够控制在1%以内。

谐振式光纤陀螺数字锁相放大器设计

介绍了基于双频率锯齿波组合调制的谐振式光纤陀螺(R-FOG)的检测原理,分析了数字系统信号相关检测的理论.通过分析陀螺输出信号的特点,利用可编程逻辑器件(FPGA)产生的同步方波进行解调,优化设计了一种用于R-FOG检测系统的数字锁相放大器,并分析了其相关检测的信噪比改善.应用于陀螺系统,实现了谐振频率快速、稳定的跟踪锁定.实验结果表明,设计的检测电路满足闭环反馈的精度要求,锁定时间为1.1 ms.

基于虚拟数字锁相放大的微弱电阻测量

小阻值的接插件广泛应用于各类精密电路中,具有重要的意义。精密插座和开关通流电流小、电阻低,测量时掺入了噪声,使得微弱的有用信号淹没在噪声中。为获取有用信号,该设计针对微弱接触电阻,以NI PCI-4462高精度数据采集板卡为硬件平台,进行高速数据同步采集;以LabVIEW为软件平台,设计了基于高频激励高速采样的虚拟数字锁相放大算法。文中对算法开展微弱信号分析,在小型拨动开关的阻值测量中得到了初步应用。

基于CIC的数字正交锁相放大器的甲烷检测实验研究

针对甲烷在大气中背景气体成分复杂、检测难度大、稳定性差等问题,本文基于可调谐二极管激光吸收光谱技术和波长调制光谱技术,将积分梳状滤波器与有限脉冲响应滤波器相结合应用于数字正交锁相放大器,开展大气中甲烷气体的痕量检测实验研究。实验表明,与传统的数字正交锁相放大器相比较,改进的数字正交锁相放大器提取的二次谐波信号的信噪比从38.61 dB提高到44.95 dB;将非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型应用于甲烷气体浓度反演,与经典的最小二乘法相比较,其均方根误差减小了0.907;通过16组浓度步进实验测试,该系统的实际检测下限为1 ppm;在压力为600 mbar,温度为25℃,甲烷浓度为50 ppm进行3 h的长期稳定性测试,检测的甲烷浓度变化范围为49.6~50.3 ppm,其标准差为0.0921 ppm。当积分时间达到56 s时,该系统的理论检测极限为25.6 ppb。积分梳状滤波器和非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型在红外气体检测方面具有较高的优越性和实用前景。

用于混频信号的双通道数字锁相放大器

为了实现对混频信号的高速采样和同步处理,提出了一种采用正交数字解调算法的双通道数字锁相放大器.系统结构基于数字信号处理器(DSP)及其配合的硬件,并采用增强并口(EPP)协议,实现了DSP同PC机的双向高速通信.实验验证了该系统的可行性.

基于数字锁相放大的时栅传感器信号处理研究

针对时栅位移传感器对信号噪声和插补时钟频率稳定性敏感及需要时钟频率高的问题,提出了一种基于数字锁相放大技术的时栅位移传感器信号处理方法。该方法用STM32F4微处理器同步产生激励信号和采集时栅输出信号,不需采集正交参考信号,将正交参考信号和输出信号送入正交矢量型数字锁相放大器,实现角位移检测。研究了基于数字锁相放大技术的时栅传感器信号处理原理和算法,设计了A/D采集电路和窄带低通数字滤波器。仿真和试验表明:在信号噪声较大条件下,时栅位移传感器的误差控制在±1.1″以内,显著提高了精度。该方法只需采集一路感应信号即可实现传感器角位移检测,优化和简化了电路结构。

卡尔曼滤波结合数字锁相放大器的弱光声信号降噪方法研究

采用光声光谱法对变压器油中溶解气体的浓度进行在线监测时,低浓度气体激发的弱光声信号中夹杂有强噪声,传统的单一数字锁相放大器难以将其高效滤出,导致该方法对低浓度气体的检测精度低、稳定性差。为了进一步的降低噪声干扰、提高对低浓度气体的监测精度,提出卡尔曼滤波结合数字锁相放大器的光声信号降噪方法,在锁相放大环节中加入卡尔曼滤波器,利用卡尔曼滤波的降噪作用,使叠加在锁定频率信号中的噪声进一步减小,从而提高对低浓度气体的监测精度。在Matlab/Simulink中进行仿真,结果表明在信噪比相同情况下所提方法输出信号波形的波动率比传统方法减小了53.51%;通过实验验证,结果表明在测量标准浓度为5 ppm的C 2H 2气体时,所提方法的测量精度较传统方法提高了11.6%;仿真和实验皆验证了所提方法的合理性与有效性。

基于数字锁相放大器的甲烷气体检测仪设计

针对甲烷气体浓度实时检测的要求,设计了一型基于谐波检测原理的检测仪器。该仪器由DFB激光器、准直器、角反射器构成高信噪比光路系统,由数字锁相放大器提取甲烷气体吸收后的一次和二次谐波,并采用标准仪器校准、最小二乘拟合等方法,得到了甲烷气体浓度计算公式,最大测量误差不超过1.1%。测试表明:该仪器通过高性能光路系统和数字电路提取微弱信号,提高了仪器工作稳定性和检测信噪比,测量误差满足使用要求。

直流漏电检测中的数字锁相放大技术

在介绍直流系统漏电检测原理的基础上,提出一种全新的微弱信号检测法。该方法采用 DSP(数字信号处理器)和采样 ADC(模数转换器)实现数字锁相放大器。在整数个周期内对被测信号进行采样得到信号序列,由数学运算得到参考序列,通过计算信号序列和参考序列的互相关函数就可实现数字相敏检测。同时还对数字相敏检测的频率特性进行了分析,给出了实际设计的数字锁相放大器。

数字锁相放大器技术及光谱检测应用进展

数字锁相放大器是基于互相关检测原理的微弱信号检测装置。综述了数字锁相放大器的主要设计思路,包括信号输入通道设计、算法设计、不同硬件构成设计与参考信号源设计。针对光谱分析应用,分析了动态信号检测失真、载波信号波动时的频率跟踪、相关参数优化及性价比等关键问题及解决方案。通过数字锁相放大器关键参数指标的演进历程分析,展望了数字锁相放大器的发展与应用方向。对于数字锁相放大器的使用与研究具有较高的实用价值,对其后续的创新具有重要的参考意义。

基于FPGA的多通道同步数字锁相放大器

针对多通道弱信号检测的需求,提出了基于FPGA的多通道数字锁相同步检测技术方案。锁相放大器的相敏检波和低通滤波功能采用数字互相关算法实现。通过理论分析,优化了系统设计参数,减少了离散化效应和量化误差对锁相高次谐波抑制能力和动态储备的影响,并用仿真程序对互相关算法和选定的参数进行了验证。所研制的基于FPGA的四通道同步数字锁相放大器具有体积小和成本低等特点,其动态储备达100dB,极限检测灵敏度达到10nV,输入噪声密度为7.4nV/√Hz,通道隔离度大于80dB。

数字锁相放大器优化设计与仿真研究

为了减少数字锁相放大器中的数字信号处理模块在硬件实现时所占用的逻辑资源,采用多抽样率数字信号处理理论来降低被测信号的采样频率,设计了高性能的数字窄带低通滤波器。利用Hogenaur"剪除"理论的级联积分梳状(Cascade Integrator Comb,CIC)滤波器,在FPGA实现时不仅能够节省大量的硬件逻辑资源,而且提高了CIC滤波器的最小响应时间;利用内插二阶多项式滤波器(Interpolated Second Order Pofynomials,ISOP)使CIC滤波器通带衰减降低到0.4 dB左右。MATLAB与Modelsim联合仿真测试验证了设计的正确性与可行性。