一种基于DSP和采样ADC的数字锁定放大器

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内容摘要:探讨了用DSP(数字信号处理器)和采样ADC(模数转换器)实现数字锁定放大器的一种方法。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。文中还对数字相敏检测的频率特性进行了分析。最后,给出了实际设计的数字锁定放大器,它的工作频率范围是10 Hz~30 kHz,实验结果表明,可以用它来测量低信噪比的信号。
 

锁定放大器(LIA)在微弱信号检测领域有着重要的应用,本质上它是一种实现互相关检测的仪器,模拟LIA一般用开关式乘法器和低通滤波器来实现模拟相敏检波,数字LIA是通过ADC将模拟信号转化为数字信号再由DSP或微处理器来进行数字解调运算。数字LIA比模拟LIA有许多优点,如谐波抑制能力强、无直流漂移、实行数字处理有很好的灵活性等。陈佳圭对早期实现数字LIA的5种主要方法进行了介绍[1],它们的一个共同特点是算法简单、易行,基本上只需做累加运算就可得出检测结果,但它们不能很好地抑制谐波。左营喜等提出的分段累加相关法[2]有一定的灵活性,可在抑制谐波和提高处理速度之间进行折衷。SR850是国外近几年推出的第一代数字LIA产品,其工作原理是通过ADC以256 kHz的固定采样率把被测模拟信号转换为信号序列,由DSP合成正弦参考序列,在DSP中将参考序列和采样得到的信号序列相乘,再进行数字低通滤波得到解调输出。
  本文给出了一种利用DSP和采样ADC实现数字锁定放大器的方法,与SR850类似,通过采样ADC将被测模拟信号转换为信号序列,由DSP合成参考序列,但不同的是,这里要控制采样频率以实现整周期采样,这样不仅使得DSP可以精确地合成参考序列,而且能建立简洁、有效的数字互相关运算。文中对这种方法进行了分析,并给出了实际设计的数字LIA。


1 工作原理
  在互相关检测中有一个参考信号,设参考信号频率为fr,可以通过一定方法控制采样频率fs,使得fs=N·fr,N≥3,N由DSP来确定。设被测信号x(t)=Asin(2πfrt+φ),A>0为信号幅度,φ为信号初相位,在q个参考信号周期对x(t)进行M=q·N

  一种基于DSP和采样ADC的数字锁定放大器