�(shù)字鎖相放大器是一種用�(shù)字信�(hào)處理的方式實(shí)�(xiàn)的相敏檢波器(或同步解調(diào)器)�(lái)�(gòu)成的鎖相放大�,數(shù)字鎖相放大器比模擬鎖相放大器有許多突出的�(yōu)�(diǎn)而倍受青睞,成為現(xiàn)在微弱信�(hào)檢測(cè)研究的熱�(diǎn)�
�(shù)字鎖相放大器的原理如圖所�。一般的�(jié)�(gòu)包括以下一些部分,即信�(hào)輸入通道、參考輸入通道、數(shù)字相敏檢波器、正交數(shù)字相敏檢波器、數(shù)字低通濾波器、輸出通道、輔助輸入通道、輸出微處理器、輔助輸出通道和微控制器部��
�(shù)字鎖相放大器的信�(hào)的輸入通道與模擬鎖相放大器相同,只不過(guò)是交流放大必需保證�(zhuǎn)換為�(shù)字信�(hào)�(shí)有足夠大的幅�??够殳B濾波器是模擬信號(hào)�(shù)字化之前所要考慮�,其作用是濾除不需要的頻率信號(hào),并將要�(shù)字化的信�(hào)在不失真前提下將其頻率上限限制在采樣頻率的一半以�,避免ADC的信�(hào)出現(xiàn)虛假信號(hào),即主ADC的采樣頻率必須滿足采樣定�。被�(zhuǎn)換后的數(shù)字信�(hào)被送入�(shù)字信�(hào)處理器(DSP)中,依�(jù)一定的算法完成相敏檢波器的功能,再通過(guò)�(shù)字低通濾波器后獲取差頻后的直流信�(hào)。參考通道以信�(hào)輸入通道相同的采樣速率提供�(shù)字相敏檢波器所需要的相位信息,參考輸入通道同樣有內(nèi)部和外部參考信�(hào)兩種。在外部參考信�(hào)模式�,輸入的模擬參考信�(hào)或邏輯電�,被一�(gè)DSP單元采用�(shù)字鎖相環(huán)算法�(cè)量其頻率,并�(chǎn)生所需要的相位信號(hào)。在�(nèi)部參考信�(hào)的模式下,只需要給參考DSP單元輸入所需要的參考信�(hào)頻率值,就可以在所選定的頻率上�(chǎn)生數(shù)字相敏檢波處理單元所需要的相位信號(hào),這種方式不需要外部參考信�(hào)和模擬鎖相放大器所需要的相位鎖相�(huán),因此不需要時(shí)間鎖相就可直接輸出相位信�(hào),降低了相位噪聲。參考通道中的n倍頻器不僅可以在與輸入信�(hào)相同的頻率上�(jìn)行鎖相,而且還可以在輸入信號(hào)的n倍諧頻上�(jìn)行鎖相檢�(cè),這在俄歇光譜�(xué)等領(lǐng)域中是非常有用的,但是n倍頻后頻率是受參考頻率限制的。參考信�(hào)處理單元也可�(shí)�(xiàn)�(shù)字參考相�,其精度可達(dá)到毫�。同相相位和正交相位信號(hào)在數(shù)字處理單元中一般通過(guò)查詢的方式實(shí)�(xiàn),可以使同相相位信號(hào)和正交相位信�(hào)同時(shí)提供給兩�(gè)�(shù)字解�(diào)�,使輸出的兩�(gè)分量能同步輸�。輸出通道中的�(shù)字低通濾波器,可以減小模擬濾波器的截止頻率不�(wěn)定所造成的誤�。輸出DAC將數(shù)字信�(hào)�(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出,輸出處理單元可以通過(guò)和的平方根算法和除法算法�(jì)算出被測(cè)信號(hào)的幅值和相位。輸出微處理器可以對(duì)從輔助ADC的數(shù)字信�(hào)�(jìn)行必要的�(yùn)�,在通過(guò)DAC�(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出或數(shù)字顯�。另外DLIA還包括一�(gè)微控制器,該微處理器有輔助數(shù)字輸�、數(shù)字顯�,鍵�(pán)通訊,IEEE-488通訊和RS233通訊功能�
�1)由于數(shù)字鎖相放大器在輸出通道中沒(méi)有直流放大器,可以避免直流放大器的工作特性隨�(shí)間變化的不穩(wěn)定性和由于溫度變化引起的溫度漂移帶�(lái)的干擾,這是模擬鎖相放大器不可解決的�(wèn)題之一�
�2)數(shù)字鎖相放大器的內(nèi)部晶振時(shí)鐘源隨時(shí)間和溫度變化�,用這種�(wěn)定性高的時(shí)鐘源�(lái)做調(diào)制信�(hào)和參考信�(hào)能降低參考信�(hào)的不�(wěn)定所帶來(lái)的誤�,同�(shí)在內(nèi)部參考模式中,數(shù)字信�(hào)處理單元能在最短時(shí)間甚至能不需要延�(shí)就能完成鎖相功能,尤其在頻率掃描�(cè)量中有其明顯的優(yōu)�(diǎn)�
?�?� 如果被測(cè)信號(hào)有較�(qiáng)的正交性,采用�(shù)字鎖相放大器的高性能的正交解�(diào)技�(shù),使微弱信號(hào)檢測(cè)精度能得到很大程度上的提��
?�?)隨著技�(shù)的發(fā)展,�(shù)字信�(hào)處理單元的性價(jià)比提�,使�(shù)字鎖相放大器的性價(jià)比也得到相應(yīng)的提高,�(shù)字鎖相技�(shù)將會(huì)更深入地影響未來(lái)的測(cè)量技�(shù)�
1?;趩纹瑱C(jī)的DLIA
目前通用單片�(jī)一般是8位型單片�(jī),工作頻率為20MHz。隨著單片機(jī)技�(shù)的�(jìn)一步發(fā)�,也逐漸出現(xiàn)�16位型單片�(jī),工作頻率也逐漸提高�100MHz。由于單片機(jī)的廉�(jià)和開(kāi)�(fā)的便利性,使單片機(jī)將廣泛地�(yīng)用于DLIA。但是受到單片機(jī)處理能力的限�,因此用單片�(jī)的DLIA的算法要�(jìn)行優(yōu)�,使算法更加�(jiǎn)�,有效并適合單片�(jī)的硬件特��
文獻(xiàn)6�(bào)道了由DDC112和At89c82528位單片機(jī)�(gòu)成的DLIA。主要目的是用來(lái)�(cè)微弱的緩慢變化的光信�(hào),由于背景光比較�(qiáng),因此需要DDC112作為20位的ADC,來(lái)提高探測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)�(tài)范圍。該系統(tǒng)的采樣頻率是2kHz,這主要受DDC112的采樣速度限制。At89c8252限制了系�(tǒng)的運(yùn)算能�,需要高效的�(yōu)化算法來(lái)完成�(shù)字鎖相放大功��
作為L(zhǎng)IA首要解決的問(wèn)題是如何消除低頻噪聲,現(xiàn)在大多采用一種叫頻譜倒置的算�。這種算法主要是通過(guò)交替交換采樣�(diǎn)的正�(fù)�(hào),實(shí)�(xiàn)比較�(jiǎn)�,便于單片機(jī)處理。文�(xiàn)�(bào)道了一種適合于8位單片機(jī)的低通濾波算�� 這種算法是單極點(diǎn)�2.5Hz的Butterworth低通濾波器,此算法的主要優(yōu)�(diǎn)是濾波器的系�(shù)�1/256的倍數(shù),可以通過(guò)�(jiǎn)單的移位操作即可完成系數(shù)的除法運(yùn)�。將上述兩�(gè)算法融合與一起,即同�(shí)完成頻譜倒置和低通濾波器的作�,其�(shù)�(xué)表達(dá)式如�
在實(shí)�(xiàn)�(guò)程中,由于采樣數(shù)�(jù)�20位數(shù)�(jù),中間運(yùn)算數(shù)�(jù)要采�32位才能保證其精度,這要用四�(gè)字節(jié)才能完全表示,并且在讀�(xiě)存儲(chǔ)器過(guò)程中也比較困�,這主要使用了C或C++中的枚舉�(shù)�(jù)�(jié)�(gòu)�(lái)解決�。另外文�(xiàn)還報(bào)道了通過(guò)�(shù)字查表方式修正由于系�(tǒng)中DDC112的兩�(gè)不匹配積分電容所帶來(lái)的誤差[5],從而保證了系統(tǒng)的動(dòng)�(tài)范圍,提高了系統(tǒng)性能�
這樣�(jiǎn)單的系統(tǒng)之所以能取得較好的性能,主要用了優(yōu)化的算法和通過(guò)�(shù)字查表方式得到解�。但是該系統(tǒng)由于單片�(jī)較差的處理能了和較慢的運(yùn)行速度,使該系�(tǒng)只能�(yīng)用于低頻信號(hào)檢測(cè)��
2。基于專用DSP的DLIA
自從專用DSP誕生以來(lái),使信號(hào)的數(shù)字實(shí)�(shí)處理成為可能。這主要得益于DSP中的乘加求和的快速運(yùn)算功�,使�(fù)雜的算法能在幾�(gè)指令周期�(nèi)完成。DLIA的相�(guān)�(yùn)算和�(shù)字濾波算法正是DSP的優(yōu)�(shì)所�。文�(xiàn)�(bào)道了以AT&T的DSP32C,TI的TMS320C30和TMS320C6xEVM, 及MOTORALA的DSP56002EVM作為DSP的DLIA。這幾種LIA根據(jù)�(shí)際需要和ADC與DAC�(zhuǎn)換速度的限制,工作頻率在幾Hz到幾十kHz的低中頻范圍�(nèi),如果采用高速的ADC、DAC器件和高速的DSP處理器并采用并行分布式設(shè)�(jì)方法,工作在MHz的DLIA也是不難�(shí)�(xiàn)�。下面將著重介紹基于上述硬件�(jié)�(gòu)的DLIA所需要的基本常用算法�
一般DLIA所共有的雙通道正交相關(guān)算法,這種算法的基本思想源于正交矢量ALIA,但又有不同。參考信�(hào)的兩�(gè)正交分量是根�(jù)�(nèi)觸發(fā)或外觸發(fā)參考信�(hào)的頻率和相位,通過(guò)DSP 的內(nèi)部查表方式而產(chǎn)生的。因此這兩�(gè)正交信號(hào)不會(huì)�?yàn)�?nèi)部觸�(fā)信號(hào)和外部觸�(fā)信號(hào)的形式(即正、余�,方波或三角波參考信�(hào))而改變。因此能消除由于參考信�(hào)是其它形式而造成的諧波分量的干擾。在�(nèi)觸發(fā)模式�,采用DAC和ADC的相同的采樣頻率,能使采樣得到的被測(cè)信號(hào)和參考信�(hào)在相同采樣點(diǎn)上的相位差恒�,從而消除了由于相位差不恒定而造成的干�。相同采樣時(shí)刻的采樣�(shù)�(jù)分別與正交的兩�(gè)參考信�(hào)在DSP中通過(guò)相乘�(yùn)算就可以完成相關(guān)算法。為了降低由于采樣和量化引入的各種相位噪�,還需要使采樣頻率�(shè)置為參考信�(hào)頻率的整�(shù)倍,滿足采樣定理并要�(duì)被測(cè)信號(hào)�(jìn)行抗混疊濾波�
3。基于PC的系�(tǒng)�(jí)模塊化DLIA
基于PC的DLIA的硬件架�(gòu)有兩種模式:一種是用標(biāo)�(zhǔn)總線及標(biāo)�(zhǔn)�(jī)箱的硬件�(shè)�(jì),如采用一種通用的VME-bus�(shù)�(jù)總線�3U, 5VME板的6插槽�(biāo)�(zhǔn)�(jī)箱結(jié)�(gòu),這種�(jié)�(gòu)的優(yōu)�(diǎn)在于能將DLIA集成于一�(gè)�(fù)雜的�(shù)字系�(tǒng)�,同�(shí)也可以通過(guò)采用專用�(shù)�(jù)采集卡和�(shù)�(jù)處理卡來(lái)提高DLIA的性能;第二種是用通用�(shù)�(jù)總線的設(shè)備級(jí)硬件�(jié)�(gòu),這種�(jié)�(gòu)主要是用于集成各種專用數(shù)字設(shè)�,如由HP3325A 信號(hào)�, HP318�(jì)算機(jī), KEITHLEY705掃描器和KEITHLEY194�(shù)字采集器或HP3561A�(shù)字分析儀通過(guò)IEEE-488總線連接而成的DLIA系統(tǒng)。這兩種都是開(kāi)放式�(jié)�(gòu),易于系�(tǒng)升級(jí),模塊的高性能指標(biāo)�(huì)使DLIA系統(tǒng)的性能更強(qiáng),頻帶范圍能從DC到幾百M(fèi)Hz,甚至可以到GHz。這些�(yōu)�(shì)使得ALIA望塵莫及�