0 引言

    鎖相放大器是一種用于測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的電子儀器，它的功能是從被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)中測(cè)出某一頻率的信號(hào)的相位和幅值。利用參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的互相關(guān)特性，提取出與參考信號(hào)同頻率和同相位的被測(cè)信號(hào)。相較于采用窄帶濾波進(jìn)行微弱信號(hào)檢測(cè)，鎖相放大器因采用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，其Q值遠(yuǎn)高于模擬帶通濾波器，且不存在中心頻率不穩(wěn)定的問(wèn)題。由于參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)具有相關(guān)性，而與噪聲不具有相關(guān)性，使通過(guò)相敏檢測(cè)提取的信號(hào)中僅包含待測(cè)信號(hào)的幅度和相位信息，因而在微弱信號(hào)的高精度測(cè)量領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價(jià)值^[1-2]。

    數(shù)字鎖相放大器因其具有動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量誤差小、不受運(yùn)放溫漂和直流偏置影響的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)逐漸取代了模擬鎖相放大器，但常見(jiàn)的數(shù)字鎖相放大器價(jià)格昂貴且不便于攜帶，不易于在特殊環(huán)境使用。

    針對(duì)上述問(wèn)題，本文研制了一款低成本的、可測(cè)試幅度最低達(dá)100 nV的便攜式數(shù)字鎖相放大器，適用于深海、野外等特殊環(huán)境的微弱信號(hào)檢測(cè)。

1 系統(tǒng)方案論證

1.1 數(shù)字鎖相放大器的原理論證

    本款數(shù)字鎖相放大器基于數(shù)字鎖相環(huán)的原理，原理圖如圖1所示^[3-5]。

    記待測(cè)信號(hào)為U_i(t)，數(shù)字壓控振蕩器(Digital Control Oscillator，DCO)產(chǎn)生的一對(duì)正交信號(hào)分別為I路U_oI(t)與Q路U_oQ(t)，如式(1)所示。

1.2 系統(tǒng)方案論證

    本系統(tǒng)以FPGA為核心，主要由信號(hào)處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字鎖相放大模塊構(gòu)成。鑒于待測(cè)信號(hào)為納伏級(jí)微弱信號(hào)，設(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯箅娐穼?duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大，將待測(cè)信號(hào)處理為合適的幅度供ADC采樣，由高速ADC采集后輸入至FPGA測(cè)量，將測(cè)量得到的I/Q路數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)計(jì)算I/Q路數(shù)據(jù)，得到待測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)頻率和相位并進(jìn)行顯示。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)處理模塊

    信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理以便于ADC采樣。該模塊由前級(jí)固定增益放大電路、中間級(jí)程控放大電路和末級(jí)工頻濾波電路構(gòu)成。

    前級(jí)固定增益電路采用寬帶低噪運(yùn)算放大器OPA657。該芯片的帶寬增益積達(dá)1.6 GHz，在90 MHz以下具有0.1 dB的增益平坦度，輸入電壓噪聲4.8 nV/。設(shè)計(jì)本級(jí)固定增益為60 dB，允許輸入信號(hào)頻率最大值為100 kHz、最大幅度為1 μV，實(shí)際需求的帶寬增益積為：GBW=G×f=1 000×100 kHz=100 MHz，芯片滿足設(shè)計(jì)要求。

    中間級(jí)程控放大電路采用數(shù)控增益儀表放大器AD8253。該芯片的增益分為4檔，可根據(jù)2位增益控制字調(diào)節(jié)，在增益為40 dB時(shí)，-3 dB帶寬為550 kHz，考慮到前級(jí)允許輸入的信號(hào)最大頻率為100 kHz，故設(shè)計(jì)芯片增益倍數(shù)最高為40 dB。設(shè)計(jì)本級(jí)允許輸出信號(hào)最大幅度為1 V，所需壓擺率為：SR=2πfV=2π×0.1 MHz×1 V≈0.628 V/μs，該芯片的壓擺率為20 V/μs，滿足設(shè)計(jì)要求。

    末級(jí)工頻濾波電路采用低噪運(yùn)算放大器NE5532。該芯片的輸入電壓噪聲小于5 nV/，壓擺率為9 V/μs，本級(jí)允許的輸入信號(hào)最大頻率為100 kHz、最大幅度為1 V，所需壓擺率為0.628 V/μs，滿足系統(tǒng)對(duì)壓擺率的要求。為避免工頻干擾，本級(jí)設(shè)計(jì)兩級(jí)帶阻濾波器電路，分別將50 Hz與100 Hz作為中心頻率，更好地濾除工頻噪聲。

    本模塊設(shè)計(jì)的增益范圍為60/80/100 dB三檔，輸入電壓噪聲9 nV/，上述電路如圖4～圖6所示。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

    模數(shù)轉(zhuǎn)換(以下簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換)模塊負(fù)責(zé)將放大后的待測(cè)信號(hào)從模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，該模塊由隔離電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路(以下簡(jiǎn)稱ADC驅(qū)動(dòng)電路)和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(以下簡(jiǎn)稱ADC電路)構(gòu)成。

    隔離電路采用低噪運(yùn)算放大器OP27。考慮到將模擬量的待測(cè)信號(hào)不加緩沖的輸入A/D轉(zhuǎn)換模塊，易引起數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，導(dǎo)致信號(hào)畸變，故設(shè)計(jì)該電路以隔離模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的影響。

    ADC驅(qū)動(dòng)電路采用低功耗、低失真的差分ADC驅(qū)動(dòng)器ADA4940。對(duì)于后級(jí)的差分輸入ADC而言，差分輸入的信號(hào)能夠最大程度地發(fā)揮ADC的共模抑制性能，改善信噪比，因此設(shè)計(jì)該電路以將單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)。

    ADC電路采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9265，該芯片具有16 bit的采樣精度與125 MS/s的采樣率，設(shè)計(jì)其對(duì)待測(cè)信號(hào)每個(gè)周期采樣1 024個(gè)點(diǎn)，則芯片能夠?qū)π∮?22 kHz的信號(hào)進(jìn)行采樣，高于系統(tǒng)允許的最大待測(cè)信號(hào)頻率。

    本模塊將模擬信號(hào)低失真的轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)紽PGA以便于數(shù)字鎖相放大，電路圖如圖7～圖9所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的軟件部分包括下變頻鑒相器模塊、環(huán)路濾波模塊、數(shù)字壓控振蕩模塊、通信模塊和上位機(jī)模塊。其中，數(shù)字壓控振蕩模塊產(chǎn)生正交的雙路信號(hào)，與待測(cè)信號(hào)一同輸入下變頻鑒相器和環(huán)路濾波器進(jìn)行處理，輸出結(jié)果作為數(shù)字壓控振蕩器的控制信號(hào)調(diào)整其輸出信號(hào)頻率和相位，3個(gè)模塊構(gòu)成數(shù)字鎖相環(huán)部分。通信模塊完成FPGA與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)模塊負(fù)責(zé)處理通信模塊上傳的數(shù)據(jù)，使測(cè)試結(jié)果更簡(jiǎn)潔直觀，程序運(yùn)行流暢，界面友好。

3.1 下變頻鑒相模塊

    下變頻鑒相器是用于比較輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位，它的輸出電壓是對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)相位差的函數(shù)。

    該模塊將待測(cè)信號(hào)分別與一對(duì)正交信號(hào)進(jìn)行混頻，兩路混頻后的信號(hào)中都含有一對(duì)和頻分量與差頻分量，經(jīng)過(guò)后級(jí)濾波器處理后得到所需差頻分量，當(dāng)數(shù)字鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定狀態(tài)時(shí)，該信號(hào)用于計(jì)算，以得到待測(cè)信號(hào)的幅度與相位信息。

3.2 FIR濾波模塊

    FIR濾波模塊采用一階滯后濾波算法，一階滯后濾波的結(jié)果受本次采樣值與上次濾波輸出值影響，使輸出對(duì)輸入有反饋?zhàn)饔茫涔揭?jiàn)式(7)：

    本次采樣值和上次濾波輸出值對(duì)本次輸出采樣值的影響程度由濾波系數(shù)決定，濾波系數(shù)越小，濾波平穩(wěn)度越高；濾波系數(shù)越大，濾波靈敏度越高。

    為使算法在數(shù)據(jù)變化較快時(shí)具有較高的靈敏度，在數(shù)據(jù)變化較慢時(shí)具有較高的平穩(wěn)度，增加濾波系數(shù)自適應(yīng)算法：判斷本次數(shù)據(jù)變化與上次數(shù)據(jù)變化是否同向，若為反向，認(rèn)為采樣數(shù)據(jù)出現(xiàn)抖動(dòng)，將濾波系數(shù)還原為初始值；若為同向，判斷數(shù)據(jù)變化量是否超過(guò)設(shè)定值，若沒(méi)有超過(guò)設(shè)定值，認(rèn)為數(shù)據(jù)變化較慢，濾波系數(shù)調(diào)整步長(zhǎng)選擇低檔，反之，認(rèn)為數(shù)據(jù)變化較快，濾波系數(shù)調(diào)整步長(zhǎng)選擇高檔。

3.3 數(shù)字壓控振蕩模塊

    當(dāng)沒(méi)有控制信號(hào)輸入時(shí)，數(shù)字壓控振蕩器的輸出信號(hào)為設(shè)定的初始振蕩信號(hào)和它的正交信號(hào)。以初始震蕩信號(hào)為例，該信號(hào)與待測(cè)信號(hào)經(jīng)鑒相器與環(huán)路濾波器處理后得到數(shù)字壓控振蕩器的頻率控制信號(hào)，振蕩信號(hào)的頻率與頻率控制信號(hào)的幅度正相關(guān)，隨著振蕩信號(hào)頻率的調(diào)整，振蕩信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的差頻將趨于0，使頻率控制信號(hào)趨于直流信號(hào)，振蕩信號(hào)的頻率和相位隨之穩(wěn)定，使鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定狀態(tài)。

3.4 上位機(jī)模塊

    本系統(tǒng)選擇LabVIEW作為上位機(jī)的開發(fā)環(huán)境。上位機(jī)的主要功能包括放大器增益設(shè)置、輸出信號(hào)模式設(shè)置、解調(diào)頻率設(shè)置、內(nèi)外參考設(shè)置、測(cè)量結(jié)果顯示等。

    為抑制數(shù)據(jù)抖動(dòng)和可能出現(xiàn)的部分極值對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響，兼顧數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，采用了如下算法：對(duì)最近的M個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)取平均作為實(shí)際測(cè)量值顯示。在此基礎(chǔ)上，增加對(duì)異常數(shù)據(jù)的檢測(cè)，若異常數(shù)據(jù)非連續(xù)出現(xiàn)，則剔除異常數(shù)據(jù)，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)N個(gè)異常數(shù)據(jù)時(shí)，認(rèn)為輸入信號(hào)已被更新，重新計(jì)算均值作為新的信號(hào)測(cè)量結(jié)果。M值影響數(shù)據(jù)更新的速度和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，N值影響數(shù)據(jù)更新的靈敏度，使其能在輸入信號(hào)改變后及時(shí)響應(yīng)，不再依賴上一個(gè)信號(hào)的平均值，L值影響極值的有效識(shí)別。本系統(tǒng)選擇M值為10，N值為3，L值為當(dāng)前平均值的25%。

    上位機(jī)具有一鍵復(fù)制功能，可以將接收的數(shù)據(jù)按序復(fù)制，便于用于其他處理。并且可以對(duì)波形的局部進(jìn)行縮放操作，易于觀察波形細(xì)節(jié)。上位機(jī)整體界面友好，顯示直觀，便于使用者操作,上位機(jī)界面如圖10所示。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

4.1 系統(tǒng)整體噪聲測(cè)試

    測(cè)試條件：使用傅里葉頻譜分析儀SR760進(jìn)行測(cè)試。

    測(cè)試方法：在不接入待測(cè)信號(hào)的條件下將系統(tǒng)輸出噪聲進(jìn)行2 000倍放大并測(cè)試。

    測(cè)試結(jié)果：實(shí)際系統(tǒng)噪聲峰值V_top約為17.8 μVrms/，如圖11所示。

4.2 系統(tǒng)鎖相精度測(cè)試

    測(cè)試條件：使用160 MHz的RIGOL數(shù)字信號(hào)源、100 MHz的Tektronix數(shù)字存儲(chǔ)示波器和自制100 dB衰減網(wǎng)絡(luò)。

    測(cè)試方法：將經(jīng)100 dB衰減網(wǎng)絡(luò)處理后的信號(hào)源信號(hào)作為待測(cè)信號(hào)，分級(jí)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于小信號(hào)和大信號(hào)的測(cè)量能力。

    測(cè)試結(jié)果：測(cè)試結(jié)果以圖與表的形式體現(xiàn)，表1為系統(tǒng)的大信號(hào)測(cè)試結(jié)果，表2為系統(tǒng)的小信號(hào)測(cè)試結(jié)果，圖12為上位機(jī)程序顯示的500次測(cè)量的穩(wěn)定度曲線。

    結(jié)果分析：圖12中的曲線表明系統(tǒng)在數(shù)百次測(cè)試中僅有誤差允許范圍內(nèi)的圍繞中心值的抖動(dòng)，這種測(cè)量抖動(dòng)是易于剔除的，對(duì)測(cè)試精度的影響較小，多次測(cè)量中沒(méi)有出現(xiàn)偏離抖動(dòng)范圍的極端值，系統(tǒng)的測(cè)量穩(wěn)定度較高。由表1和表2的誤差率統(tǒng)計(jì)也可以看出，系統(tǒng)在可測(cè)量范圍內(nèi)誤差率小于0.4%，在部分區(qū)段誤差率小于0.1%，測(cè)量精度較高。

5 結(jié)論

    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)便攜式數(shù)字正交鎖相放大器，該放大器儀具有100 nV~100 μV的幅度測(cè)量范圍、60 dB的動(dòng)態(tài)范圍，幅度精度高于0.4%，相位精度達(dá)0.001°。采用便攜化設(shè)計(jì)，適用于野外、深海等惡劣環(huán)境。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，可擴(kuò)展性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，易于維護(hù)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙俊杰，郝育聞，郭璐璐，等.數(shù)字鎖相放大器的實(shí)現(xiàn)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(3)：191-198.

[2] 康躍騰，胡曉婭，汪秉文.基于鎖相放大原理的微弱信號(hào)檢測(cè)電路[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21(6)：162-164.

[3] 陳希.基于AD630鎖相放大器的研究設(shè)計(jì)及其在光纖氣體傳感檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2017.

[4] 許文佳.基于FPGA的數(shù)字鎖相放大器的設(shè)計(jì)與研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

[5] 朱曉莉，厲霞.基于AD630的雙相鎖相放大器設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2012，42(6)：19-23.

[6] 趙婷婷，王先全，姜增暉，等.基于數(shù)字鎖相放大的時(shí)柵傳感器信號(hào)處理研究[J].工具技術(shù)，2017，51(4)：87-92.

[7] 蘇鑫，羅文廣，馬超.一種雙相位鎖相放大電路設(shè)計(jì)[J].電子科技，2012，25(3)：75-81.

[8] 蔡滿軍，于彬，趙曉東.基于正交鎖相放大器的微弱應(yīng)變信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017(4)：67-72.

[9] 蔣碧波，楊振國(guó)，楊越.基于鎖定放大器的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，2017(4)：1-2.

作者信息：

謝桂輝1，2，鄭旭初3，趙天明3，劉子緒3，趙  娟1，2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430074；

2.復(fù)雜系統(tǒng)先進(jìn)控制與智能自動(dòng)化湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430074；

3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢430074)