基于數(shù)字鎖相放大器的微弱光電信號檢測研究.pdf

1、光電信號檢測系統(tǒng)中，由于光電探測器表面受到光線照射產(chǎn)生微弱電流，這些電子流非常微弱容易受到強噪聲信號的干擾，傳統(tǒng)的微弱電流信號檢測方法無法進(jìn)行精確檢測，為減少強噪聲和1/f噪聲對該微弱光電子流的影響，本文設(shè)計基于DLIA(Digital Lock-In Amplifier,數(shù)字鎖相放大器)的微弱光電信號檢測系統(tǒng)，對這種微弱光電子流信號進(jìn)行檢測。首先光信號通過斬光器的調(diào)制變?yōu)橹芷诠庑盘枺撝芷诠庑盘柦?jīng)過光電探測器后產(chǎn)生周期性微弱電流信號，

2、再進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換、信號的放大、信號的濾波和信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列處理后，將采樣的數(shù)字信號輸入到數(shù)字信號解調(diào)系統(tǒng)中。最后經(jīng)過數(shù)學(xué)信號解調(diào)得到光電信號幅值等信息。
　　首先，本文進(jìn)行函數(shù)自相關(guān)和互相關(guān)原理分析，對其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了深入的研究，通過對比兩種數(shù)學(xué)模型得到互相關(guān)原理在抗噪聲干擾能力上更優(yōu)。因此，采用互相關(guān)原理設(shè)計鎖相放大器，其主要通過外部參考信號對周期信號進(jìn)行解調(diào)，得到強噪聲背景下待測信號幅值和相位等信息，隨后進(jìn)行Matla

3、b軟件仿真理論驗證。為使微弱光電信號能夠輸入到數(shù)字鎖相放大器的信號解調(diào)器中，需要對這種微弱光電信號進(jìn)行的放大和濾波，設(shè)計放大倍數(shù)為1012倍二階放大電路和截止頻率為8kHz的二階抗混疊濾波器，對信號放大電路和濾波電路中各個元器件參數(shù)進(jìn)行計算，采用Multisim軟件進(jìn)行仿真驗證。
　　其次，硬件放大電路設(shè)計主要基于Multisim軟件仿真的理論支撐，第一級放大電路進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，將微弱電流信號轉(zhuǎn)換電壓信號并放大1011倍，也是硬件

4、電路最重要一部分，直接影響全部系統(tǒng)檢測系能，本文對目前市場高精度、低噪聲的運放芯片進(jìn)行對比，第一級和第二級放大電路分別采用LMC6062運放和LF442運放進(jìn)行設(shè)計。信號經(jīng)過放大后進(jìn)入抗混疊濾波器進(jìn)行濾波，濾除高頻噪聲的干擾，再將信號輸入到8位高速A/D轉(zhuǎn)換芯片中，最后經(jīng)過 A/D(Analog to Digital Converter,模數(shù)轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可

5、編程邏輯門陣列)中進(jìn)行信號的相關(guān)調(diào)制。
　　最后，對基于FPGA的數(shù)學(xué)信號解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，采用DSP Builder工具箱進(jìn)行四個部分的設(shè)計：(1)待測信號頻率提取設(shè)計，主要通過對待測信號進(jìn)行FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里葉變換)，待測信號FFT后有最大頻幅響應(yīng)，從而提取對應(yīng)頻率信息。(2)基于DDS(Direct Digital Synthesizer,直接數(shù)字式頻率合成器)函數(shù)信號發(fā)生器的參考信號

6、設(shè)計，主要提供數(shù)字信號解調(diào)中的輸入的正弦和余弦參考信號，其頻率字信息由待測信號頻率提取部分。(3)數(shù)字信號處理的乘法器設(shè)計，主要功能是實現(xiàn)待測信號與參考信號之間的相敏檢波，即數(shù)字信號處理中為乘法運算。(4)基于FIR(Finite Impulse Response,有限長單位沖激響應(yīng))低通濾波器設(shè)計，主要功能是實現(xiàn)數(shù)字信號積分功能的替換。將各個模塊聯(lián)接在一起調(diào)試，將編譯好的工程文件下載到FPGA芯片中完成數(shù)字信號解調(diào)設(shè)計。
　　對

7、光電檢測系統(tǒng)進(jìn)行測試，首先對硬件放大電路進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明第一級I/V轉(zhuǎn)換電路能夠?qū)?2pA的電流信號放大0.2V的電壓信號，誤差范圍為1.5％。其次對基于FPGA的數(shù)學(xué)解調(diào)系統(tǒng)測試，采用ATTEN函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)輸入測試信號，實驗結(jié)果顯示，基于FPGA的數(shù)學(xué)解調(diào)系統(tǒng)，檢測微弱光電信號工作性能穩(wěn)定，檢測精度高，在信噪比RSNR≈-26dB時，最小檢測精度能夠到達(dá)為0.02pA。最后將微弱信號檢測放大電路和基于FPGA的數(shù)學(xué)解調(diào)