854611214基于labview的数字锁相相放大器设计.doc

1 引言    自从1962年，美国EG&G PARC公司制作了第一台锁相放大器(LIA)的后，微弱信号检测技术得到了突破性的发展。后来又出现了模拟锁相放大器(ALIA) 和数字锁相放大器(DLIA) 。对于数字锁相放大器而言，又出现基于单片机的DLIA 和基于专用DSP的DLIA 。还有基于PC 的系统级模块化DLIA ，这种锁相的算法是采用C， C+等语言实现的。由于整个系统运行在PC平台上，所以可以使用各种仿真软件对算法进行研究。    虚拟仪器(Virtual Instruments 简称VI)是基于计算机的数字化测量测试仪器，它是1986 年由美国国家仪器公司(National Instruments以下简称NI)首先提出的。它要比传统的电子仪器更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济、更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展功能与性能的要求。NI 公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。    本文就是依据虚拟仪器要求和锁相放大器的特性，详细介绍了基于虚拟仪器的锁相放大设计过程，应用这一设计技术研制了L-I-100 型光信号锁相检测实验仪。这一仪器在实验和实际中得到了广泛的应用，尤其在微弱光信号检测方面的应用显得愈加重要。    2 锁相放大器原理简介    2.1 锁相放大器的基本原理    锁相放大器是以相关检测技术为基础，利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪。它是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备，利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关，从而从噪声中提取有用信号。它不同于一般的带通放大器，它所输出的信号并不是输入信号的简单放大，而是把交流分量放大并变成相应的直流信号输出。是从强噪声中提取弱信号的重要手段。在国外常把这类仪器称为锁定放大器(Iock-in Amplifier) 。可理解为:把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。    2.2 传统锁相放大器的构成原理    图1为典型的锁相放大器原理构成图。从这个原理图可看出一般锁相放大器的组成分为三部分:信号通道、参考通道和相关器(包括直流放大器部分)。    图1 经典的锁相放大器原理构成图    被检测的信号往往是很微弱的，并且伴随的噪声很大。信号通道的作用是将伴有噪声的微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤除部分干扰及噪声功能，从而扩大仪器的动态范围。因此信号通道位于相关器之前，它由输入变压器、低噪声前置放大器、各种功能的有源滤波器和主放大器等组成。    互相关接收除被测信号外，还有一个参考信号。通常锁定放大器的参考通道输出是和信号同步的对称方波或正弦波，用以驱动相关器的场效应管开关。参考通道主要由触发电路、倍频电路、相移电路、方波形成电路及驱动电路组成。参考触发信号可在仪器内部产生，也可从外部输入，大部分产品由外部输人。输入波形可以是正弦波、方波、三角波、脉冲波等各种周期信号。    相关器是一种完成被测信号与参考信号两者互相关函数运算的电子线路。它必须具有动态范围大、漂移小、时间常数可调、线性好、增益稳定和曲率范围宽等性能。由相关函数的数学表达式可知，需要一个乘法器和积分器实现这一数学运算，从理论上讲用一个模拟乘法器和一个积分时间为无穷大的积分器，就可以把深埋在任意噪声中的微弱信号检测出来。    2.3 锁相放大器的特性    目前国内外生产的锁定放大器的等效噪声带宽在数量级，少数的可达到，信号带宽。的数值表明，仪器具有十分窄的信号和噪声带宽。如果工作频率，仿照通常带通滤波器Q值的定义，则锁定放大器的等效Q值为， 这是常规滤波器无法达到的。在锁定放大器中被测信号与参考信号是严格同步的，它不存在频率稳定性问题，所以可把它看成一个"跟踪法波器"。它的等效Q 值由低通滤波器的积分时间常数决定，所以对元件和环境的稳定性要求不高。    根据白噪声电压与噪声带宽平方根成正比，如热噪声电压为。此结果表明，锁定放大器使信噪比提高了80dB以上。这足以表明，采用相关技术所设计的锁定放大器具有很强的抑制噪声能力。        目前锁定放大器有如下特点:极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，总增益可达10(即220dB) ，能检测极微弱信号;交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位才差的余弦;满刻度灵敏度达V 、nV ， 甚至于pV 量级;非相干信号输入过载电压可达60dB以上，即噪声大于信号数千倍以上时仍能正常检测，锁定放大器具有极强的抗噪声性能。        3 在LabVIEW 虚拟仪器中的锁相放大器设计        利用Lab VIEW来实现锁相电路，主要是要掌握LabVIEW图形化编程特点，因为是用软件来实现电路，就必须根据实际电路的功能，把它抽象为相应的逻辑来实现。又因LabVIEW的程序可以嵌套，所以在实现时可将其各个功能分别实现，然后以调用子程序的方式把它们组和在一起，因此设计时需要设计出一个大的框图，大的框图由多个子框图构成。        3.1 虚拟锁相放大器的设计要求        由于数字式锁相放大器具有带宽大、工作稳定、截至频率低、响应速度快等功能，基本能精确地测量被淹没在噪声和干扰背景中的正弦波或方波微弱信号。因此，要大大提高仪器的过载能力和动态范围，减小直流漂移。同时该虚拟仪器要有一定的检测灵敏度。        设计的虚拟锁相放大器要能够采集待测数据，并将其放大，作模数转换，然后再进行处理并滤除噪声。在本设计中，采用PCI-6221型多功能卡作为信号前放、采样保持和模数转化，转换之后的数字信号进入LabVIEW平台，进行锁相放大算法处理。         3.2 虚拟锁栩放大器的设计过程    (1)前面板的设计    首先要设计一个前面极，前面板包括信号、乘法器、低通撞波器、加法器、输出信号几个部分。控件是用户输入数据到程序的接口，而显示是输出程序产生的数据接口，所以二者缺一不可。比如:要做信号这一部分，我们要在控件选板里选择数值这一项，在数值中选择数值输入控件，把他放在适当位置，并且把名字改为频率。同样再放一个数值输入控件作为幅值。在波形选项里面选择波形圈，调整度，如图2(上)所示。然后用同样的方法就可以做出前面板的其它几个部分，如图2(下)所示。这样前面板就完成了。    (2) 程序框图设计    将己有的各项连接起来就可以组成程序框图了。最后在结构图中选择一个结构就可以执行了。它的程序代码如下图3:    3.3 程序测试    经测试，频谱分布结果如下面图4:    3.4 虚拟锁相放大器的设计结果    通过详细的研究设计，最终完成的虚拟锁相放大器如图所示。    (1)程序图如下图5:    (2)界面截图如图2( 下):    图2 LabVIEW面板图图3 基于La bVIEW的锁相算法程序代码图4 程序测试频率分布 图5 虚拟锁相放大器程序框图    3.5 应用    基于这一设计我们研制了一台L-I-100型光信号锁相检测实验仪，系统全部采用计算机控制，计算机产生控制信号，同时可以含有噪声，这个信号送入实验箱中的发光环节中，光电探测器接受到变化的光信号之后，将这个信号送入模数转换器，模数转换完成后进行滤液、乘法运算、再进行低通滤波，再送入显示环节。系统构成和系统操作界面如下图6所示:    仪器的主要技术指标:    (1)检测精度:0.5%    (2)锁相频率:0.0lHz到1kHz    (3 )相位精度:0.1%(对应100Hz)    (4) 放大倍数: 100/1000    (5) 光信号输出频率:0.01Hz 到50kHz    (6)A/D精度16bit( 1/64k)    (7)转换速度100kHz/s    图6 系统构成及操作界面    4 结束语    本文概述了锁相放大器及基于LabVIEW的锁相放大器设计具体过程，并介绍了在这一设计基础上研制的L-I-100型光信号锁相检测实验仪。此实验仪可应用在实验室和实际微弱光信号检测中。同传统模拟或者数字式锁相放大器相比，具有配置灵活、价格较低、使用方便、可以联网操作等特点，可以应用于科学技术研究、医疗卫生、国防科技、精细加工检测等领域。