数字锁相技术研究

论文摘要

随着光电技术和传感技术的飞速发展,经常遇到微弱信号被淹没在强噪声背景中的问题。运用锁相放大器能够测量到传统方法无法测量的微弱量。它是利用噪声与参考信号不相关,而被噪声淹没的被测信号与参考信号有着非常高的相关性的原理设计出来的。根据相敏检波器的实现方式不同,锁相放大器可以分为模拟锁相放大器及数字锁相放大器,后者较之前者,具有更高的灵活性和准确性。本课题所研究的宽频带数字锁相放大器在功能上分为模拟信号预处理模块、AD模块、DSP数字信号处理模块以及与上位机通信模块。模拟信号通过程控滤波、放大输入到AD芯片,并转化成数字量与参考信号一起作为相关解调器的输入,处理后的数字信号通过异步串口上传到上位机显示以及再处理。这里,以TI公司的TMS320VC5416为核心处理器,主要完成对外围芯片的控制以及数字信号的相关解调算法。AD芯片采用AD公司的AD976A,它的采样频率由DSP内部的定时器来控制时序,并通过DSP的通用I/O引脚控制AD芯片的工作。本课题研制了一种宽频带的数字锁相放大器,可以完成自动增益和相位可调整,最长积分时间为100s,适合于频率从10Hz到10kHz,幅值从100nV到10mV的微弱正弦信号检测。测量结果表明,当采样点数N大于8192时,结果接近理论值。数字锁相放大器是检测淹没在强噪声背景中微弱信号的仪器,市面上也有相关产品。本课题中设计的能够测量nV级微弱信号的数字锁相放大器,测量精度高、方法灵活,此产品的研制成功,将具有巨大的理论意义和巨大的市场潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 数字锁相放大器的意义和发展状况
• 1.3 问题与研究内容
• 第2章 数字锁相放大器的原理
• 2.1 数字锁相放大原理概述
• 2.2 相关解调器
• 2.2.1 乘法解调法
• 2.2.2 数字相关解调算法研究
• 2.3 相关解调算法在matlab环境的仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 系统技术指标及总体方案设计
• 3.2 系统硬件设计思路
• 3.3 DSP最小系统设计
• 3.3.1 电源电路
• 3.3.2 时钟电路
• 3.3.3 总线缓冲电路
• 3.3.4 DSP存储扩展电路
• 3.4 逻辑控制电路
• 3.5 A/D采集模块
• 3.6 模拟信号调理模块
• 3.6.1 差分放大电路
• 3.6.2 程控滤波电路
• 3.6.3 程控放大电路
• 3.6.4 峰值检波电路
• 3.7 串口通信模块
• 3.8 本章小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 程序总体设计
• 4.1.1 初始化设计
• 4.1.2 AD转换和采集程序设计
• 4.1.3 BOOTLOADER
• 4.1.4 FLASH烧写过程
• 4.1.5 上位机控制与显示数据
• 4.2 本章小结
• 第5章 仿真数据与不确定度分析
• 5.1 算法仿真
• 5.2 仿真数据
• 5.3 不确定度分析
• 5.4 提高系统精度的改进方法
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 PCB图纸
• 附录2 定点互相关算法
• 致谢