畢業(yè)設(shè)計--鎖相放大器的labview實現(xiàn)

1、<p>　　鎖相放大器的LabVIEW實現(xiàn)</p><p>　　Function realization of lock-in amplifier by LabVIEW programming</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　鎖相放大器（Lock-in Amplifier,LIA）是一種根據(jù)相關(guān)檢

2、測原理設(shè)計的同步相干檢測儀，能夠準確檢測提取出淹沒在強噪聲背景中的周期性有用信號，是微弱信號檢測（Weak Signal Detection）領(lǐng)域中最重要和最有效的精密儀器之一，廣泛地應(yīng)用與基礎(chǔ)科學(xué)研究、國防科技、生物醫(yī)學(xué)信號、物理探傷等領(lǐng)域。</p><p>　　相敏檢波器（Phase Sensitive Detector, PSD）是鎖相放大器的核心器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對待測信號和參考信號進行相關(guān)運算；而低通濾波器

3、的通頻帶寬決定了相敏檢波器輸出信號的諧波成分，進而對鎖相放大器的精度產(chǎn)生影響。因此，本文著重研究了相敏檢波器和低通濾波器的設(shè)計環(huán)節(jié)，并在參考信道設(shè)置了兩路正交的參考信號以避免了輸出結(jié)果對相位差的依賴。</p><p>　　本文通過分析鎖相放大器的工作原理，利用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)了雙鎖相放大器的設(shè)計方案。經(jīng)測試證明，本文設(shè)計的正交矢量型數(shù)字鎖相放大器具有較好的抑噪性能，能夠大幅度提高輸

4、出信號的信噪比。</p><p>　　關(guān)鍵詞：鎖相放大器；虛擬儀器；相敏檢波器</p><p>　　Function realization of lock-in amplifier by LabVIEW programming</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Lock-in A

5、mplifier (LIA),based on the principle of correlation-detecting, is one of the most effective meansin weak signal detections and prove to be able to detect and measure periodical signals, the magnitude of which are usuall

6、y so weak against the surrounding noise, widely used in the fields of scientific research, national defense science and technology, biomedical engineering, physical detection, and so on.</p><p>　　Phase sensi

7、tive detector(PSD) is the core of the lock-in amplifier and can identify the measured signals whose frequency is the same as the reference signal; and its output is determined by the pass band-width of frequency of the L

8、PF, which also affects the precision of the lock-in amplifier. Thus, this paper studies the realization of the PSD and the LPF, and set up two orthogonal reference signal channels to avoid the dependence on the phase dif

9、ference.</p><p>　　The paper analyses the realization of the lock-in amplifier, and use LabVIEW to realize the dual-phase lock-in amplifier. And, it proves to be effective through the simulations, shows a goo

10、d performance in the detection of weak signals, and greatly improves the SNR of the output signals.</p><p>　　Key Words：Lock-in Amplifier；Virtual Instrument；Phase Sensitive Detector</p><p><b&

11、gt;　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　1 緒論…………………………………………………………………………...………1</p><p>　　1.1 課題研究背景及意義1</p><p

12、>　　1.2 微弱信號檢測1</p><p>　　1.3 鎖相放大器發(fā)展概況3</p><p>　　1.4 虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW簡介4</p><p>　　1.4.1 虛擬儀器技術(shù)…………………………………………………………...……4</p><p>　　1.4.2 LabVIEW簡介…………………………………

13、………………..……...……6</p><p>　　1.5 本章小結(jié)9</p><p>　　2 鎖相放大器的基本理論10</p><p>　　2.1 相關(guān)檢測原理10</p><p>　　2.2 相關(guān)檢測技術(shù)11</p><p>　　2.3 正交矢量型鎖相放大器12</p><

14、p>　　2.4 模擬與數(shù)字鎖相放大器性能對比12</p><p>　　2.4 數(shù)字濾波器的設(shè)計13</p><p>　　2.5 本章小結(jié)15</p><p>　　3 數(shù)字鎖相放大器的軟件設(shè)計17</p><p>　　3.1 數(shù)字鎖相放大器的前面板17</p><p>　　3.2 數(shù)字鎖相放大

15、器程序框圖18</p><p>　　3.3 各子模塊設(shè)計及功能介紹20</p><p>　　3.3.1 信號生成模塊20</p><p>　　3.3.2 前級濾波模塊22</p><p>　　3.3.3 相敏檢波模塊23</p><p>　　3.3.4 信號還原模塊25</p>&l

16、t;p>　　3.3.5 測量顯示模塊26</p><p>　　3.3 本章小結(jié)27</p><p>　　4 系統(tǒng)性能測試與分析28</p><p>　　4.1 部分模塊功能仿真與調(diào)試28</p><p>　　4.1.1 信號生成模塊仿真與調(diào)試28</p><p>　　4.1.2 前級濾波模塊

17、仿真效果分析29</p><p>　　4.1.3 相敏檢波模塊仿真測試29</p><p>　　4.2 整體模塊性能測試30</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)準確性測試30</p><p>　　4.2.2 系統(tǒng)動態(tài)檢測范圍與抑噪性能測試30</p><p>　　4.3 鎖相放大器與普通帶通濾波器

18、性能比較32</p><p>　　4.4 本章小結(jié)……………….……………………………………………………….....34</p><p><b>　　結(jié)論35</b></p><p><b>　　參考文獻36</b></p><p><b>　　致謝37</b><

19、;/p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及意義</p><p>　　鎖相放大器功能的十分強大和應(yīng)用極其廣泛，屬于精密儀器范疇，設(shè)備維護專業(yè)化要求高，體積龐大且價格十分昂貴，數(shù)據(jù)處理不太靈活，而且不能夠?qū)崿F(xiàn)多個用戶的交流使用。虛擬儀器技術(shù)采用可視化的圖形化編程環(huán)境和平臺，提供功能強大的數(shù)據(jù)處理軟件包，

20、具有編程入手快速、使用高效靈活等特點。因此，本文以微弱信號檢測技術(shù)中的較為重要的鎖相放大器為例，利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺，設(shè)計了一種虛擬鎖相放大器。</p><p>　　虛擬儀器語言LabVIEW具有通用性強、便于移植、維護方便等特點，使用LabVIEW制作的鎖相放大器參數(shù)配置更加方便靈活，用戶可以根據(jù)自身需求更改配置；成本低廉，只有軟件、標準化硬件的開發(fā)成本，而且標準化硬件的通用性使其相對成本較低；操作方

21、便，只需在計算機上對前面板操作即可實現(xiàn)模擬實際儀器的功能，用戶不需要對儀器內(nèi)部的設(shè)計完全了解也可以根據(jù)說明進行操作和應(yīng)用；數(shù)據(jù)處理方便且便于多用戶共享，可接住LabVIEW提供的工具包將數(shù)據(jù)寫入文本文檔或電子表格中，直接保存在計算機的硬盤上，為實驗數(shù)據(jù)處理帶來了極大的便利條件，還可以直接通過打印機等設(shè)備將數(shù)據(jù)、波形等打印出來；而且可利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程儀器共享，方便多用戶交流使用。</p><p>　　本文采用La

22、bVIEW軟件開發(fā)平臺設(shè)計了一種虛擬數(shù)字鎖相放大器，實現(xiàn)了測量儀器的智能化、多樣化、模塊化，并且用數(shù)字鎖相放大器完成了參數(shù)測量實驗，可以將測量結(jié)果實時、直觀地顯示出來，具有較好的抑噪能力和信噪改善比。</p><p><b>　　1.2微弱信號檢測</b></p><p>　　科學(xué)家和工程師們在探索地球物理現(xiàn)象、規(guī)律及其工程應(yīng)用中,時常會碰到感興趣的微弱有用信號（可達

23、毫微伏量級）被背景噪聲覆蓋的問題,比如生物電信號測量、機械震動波的頻譜特性分析以及弱電信息的噪聲過濾等,微弱信號檢測技術(shù)的迅速發(fā)展使這些問題的解決成為可能。</p><p>　　微弱信號檢測是一門綜合利用電子學(xué)、信息論及物理學(xué)的方法，探索噪聲源的產(chǎn)生和統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，研究感興趣的未知信號的特性和相干關(guān)系，從而檢測并恢復(fù)被背景噪聲覆蓋的微弱信號的新興學(xué)科。微弱信號一般來講具備兩個特征含義：既表示有用信號本身的幅度絕對值

24、較小，也指相對背景噪聲比較微弱甚至于被噪聲淹沒。噪聲是一種無法預(yù)知任一瞬時量的隨機信號，對有用信號的檢測和提取造成了干擾。研究如何提取背景噪聲下的微弱信號是當(dāng)今信號分析與處理領(lǐng)域的熱點之一，在雷達與電子對抗、無線通信、傳感器、系統(tǒng)辨識、地球物理勘測等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　微弱信號檢測技術(shù)的研究重點在于抑制噪聲和改善信噪比。當(dāng)前，學(xué)術(shù)上對微弱信號檢測技術(shù)的研究重點內(nèi)容包括：（1）研究噪聲

25、的成因和統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，尋找抑制措施；（2）輸出信號多次平均，提高信噪改善比；（3）根據(jù)功率譜的理論獲取單次信號；（4）改善傳感器的低噪聲前置放大器的設(shè)計；（5）快速瞬變的處理；（6）減少測量時間及隨機噪聲的平均；（7）檢測恢復(fù)低占空比信號；（8）模擬鎖相量化混合數(shù)字平均技術(shù)。</p><p>　　從強噪聲背景下提取并檢測微弱信號，在無線通信、傳感器及機械故障診斷等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的檢測理論和算法主要包括相關(guān)檢測法

26、、取樣積分法、光子計數(shù)技術(shù)和現(xiàn)代譜估計理論等。常規(guī)的微弱信號檢測方法具有一定的限制，一般要求有較高的檢測閾值。近年來，一些學(xué)者在對非線性系統(tǒng)進行深入的研究后，提出了諸如混沌振子、諧波小波、隨機共振和其他的新理論和研究成果，并把這些理論逐步應(yīng)用于微弱信號檢測領(lǐng)域。</p><p>　　1928年，Johnson在研究電子熱騷動運動產(chǎn)生的噪聲過程中，提出了隨機共振與混沌等理論，在微弱信號檢測領(lǐng)域有了突破性的研究成果。

27、1992年，D．L．Birx和S．JPipenberg利用混沌復(fù)雜轉(zhuǎn)換前饋網(wǎng)絡(luò)初步研究了如何對背景噪聲下的信號進行分類和提取等，之后J．Stark和B．V．Arumugam又研究了從強噪聲背景下提取微弱小信號的新算法。D．S．Broomhead等人在非線性反濾波的基礎(chǔ)上提出了相空間重構(gòu)方法，并成功地提取出淹沒在噪聲中的有用信號。1993年，Simon Haykin和Li Xiao Bob在對海面弱信號回波中的微弱目標信號檢測中應(yīng)用了混沌

28、理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測算法。次年，他們又研究了混沌背景下微弱信號的檢測問題，并建立了基于BP算法訓(xùn)練的多層感知器網(wǎng)絡(luò)的模型，分別提出了相干與非相干檢測法。1997年Ward Small IV和Peter M. Celliers人成功研發(fā)出雙色紅外測溫儀，如鎖相放大器通過光纖和低溫的測量，使用探測器調(diào)制，再通過鎖相放大器解調(diào)檢波器的信號，實現(xiàn)了對低溫對象發(fā)射微弱信號的檢測。2000年西北輕工業(yè)學(xué)院劉建等人依據(jù)相關(guān)性原理，通過80C</p

29、><p>　　很長的一段時間里，國內(nèi)外學(xué)者對于微弱信號的檢測主要還是基于相關(guān)檢測的原理。相關(guān)檢測技術(shù)的發(fā)展方向是進一步提高靈敏度和信號處理能力，使定位精度得到增強。相關(guān)檢測技術(shù)是根據(jù)待測信號的周期性和噪聲的隨機性的特點，與之進行自相關(guān)或互相關(guān)運算，從而達到濾除噪聲的目的。也就是說，相關(guān)檢測主要是對信號和噪聲進行相關(guān)性分析，最大限度壓縮帶寬和抑制噪聲以實現(xiàn)檢測出微弱信號的功能。由于互相關(guān)檢測的抗干擾性能比自相關(guān)好，因此

30、本文中以互相關(guān)檢測為原理。</p><p>　　隨著對檢測理論和算法研究的不斷深入，高精密設(shè)備在微弱信號檢測中使用越來越多。高性能和低成本的數(shù)字集成電路器件如數(shù)字信號處理器（DSP, Digital Signal Processing）、現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA, Field Programmable Gate Array）等，模擬電路部分功能數(shù)字化實現(xiàn)了先進的信號處理算法，因此大幅度改善和提升檢測設(shè)備的測試

31、性能。數(shù)字化、智能化和便攜式是微弱信號檢測設(shè)備的發(fā)展方向。目前，技術(shù)相對成熟的微弱信號檢測儀器主要有：鎖相放大器、光子計數(shù)器、低噪聲放大器和取樣積分器等。</p><p>　　1.3鎖相放大器發(fā)展概況</p><p>　　鎖相放大器是在相關(guān)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)互相關(guān)原理研發(fā)的一種相干檢測設(shè)備。具體來講，鎖相放大器是一種對檢測信號和參考信號進行互相關(guān)運算的電子設(shè)備，利用參考信號與待測有用信

32、號相關(guān)而與噪聲頻譜不相關(guān)的特性，從背景噪聲中檢測出微弱有用信號。不同于一般的帶通放大器，鎖相放大器輸出的信號不是輸入信號的簡單放大，而是把交流分量放大并變成響應(yīng)的直流信號輸出。由于具有穩(wěn)定的中心頻率、較窄的通頻帶、較高的品質(zhì)因數(shù)等優(yōu)越性能，鎖相放大器在微弱信號檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　美國EG&PARC（SIGANL RECOVERY公司前身）公司于1962年成功發(fā)明出了世界上第一臺鎖

33、相放大器（Lock-in Amplifier,LIA，也稱鎖定放大器），解決了微弱信號檢測過程中去除噪聲的技術(shù)難關(guān)，極大促進了微弱信號檢測與提取技術(shù)的發(fā)展。近20年以來，學(xué)者們不斷向前推進和深入鎖相放大器的研究，使其各項檢測技術(shù)性能也獲得了極大的改善。目前微弱信號檢測技術(shù)和儀器的不斷發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在諸多基礎(chǔ)科學(xué)研究和實際工程實踐技術(shù)領(lǐng)域中，科學(xué)研究引領(lǐng)著當(dāng)前鎖相放大器的發(fā)展方向，同時工程應(yīng)用反過來對鎖相放大器的檢測性能也提出了更高的

34、要求指標。</p><p>　　以前的鎖相放大器都是通過模擬電子線路來實現(xiàn)，在動態(tài)范圍、線性失真、噪聲以及零點漂移等方面表現(xiàn)不佳。由于數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，促使出現(xiàn)了模數(shù)技術(shù)相結(jié)合的模擬鎖相放大器，一則是在輸入信號通道、參考信號通道和輸出信號通道增加了數(shù)字濾波功能來抑制部分噪音，又或者在模擬鎖相放大器的原來設(shè)備上增加了一些模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換和各種普通數(shù)字接口功能，能夠?qū)崿F(xiàn)由計算機操作、監(jiān)控和顯示等附加

35、功能，但其核心相敏檢波器或調(diào)制解調(diào)器仍使用模擬電子技術(shù)實現(xiàn)，實質(zhì)上也是模擬鎖相放大器。直到相敏檢波器或解調(diào)器也使用數(shù)字電路實現(xiàn)后，就出現(xiàn)了真正意義上的數(shù)字鎖相放大器，數(shù)字鎖相放大器比模擬鎖相放大器有許多杰出的優(yōu)點而備受歡迎，成為現(xiàn)在微弱信號檢測領(lǐng)域的熱點。數(shù)字技術(shù)的不斷向前推進，逐漸出現(xiàn)了使用FPGA、DSP或者單片機技術(shù)實現(xiàn)的新型數(shù)字鎖相放大器，系統(tǒng)誤差小、穩(wěn)定性好、功能豐富、獨立于溫度和直流偏置影響之外，從而對鎖相放大器的主流發(fā)展方

36、向產(chǎn)生了深刻影響。特別是基于PC的系統(tǒng)級模塊化數(shù)字鎖相放大器，其最大優(yōu)點在于數(shù)字處理單元的核心是由內(nèi)部資源庫巨大、性能十分強大的CPU構(gòu)成，各種應(yīng)用軟件在操作系統(tǒng)平臺上運行，且</p><p>　　外國的科研機構(gòu)對于鎖相放大器的研究較早，技術(shù)相對成熟。當(dāng)前市場上通用的主流鎖相放大器主流產(chǎn)品都來自美國和日本，其中比較典型有美國斯坦福研究系統(tǒng)（SRC，Stanford Research System）設(shè)計與生產(chǎn)的SR

37、8XX系列，美國信號還原公司（Signal Recovery）提出的Model 7256系列產(chǎn)品，和日本NF公司的LI5630/5640產(chǎn)品等。這些鎖相放大器具有非常高的穩(wěn)定性和靈敏度，已然成為自動化與測控領(lǐng)域的標準。</p><p>　　相比國外，國內(nèi)方面對鎖相放大器的研究要晚一些，主要集中在一些高等院校及科研機構(gòu)。目前國內(nèi)自主研制的通用鎖相放大器產(chǎn)品種類還較少，主要有南京大學(xué)唐洪賓等研發(fā)的FS型和ND型系列產(chǎn)

38、品，中電第四十一所研制的AV3891型鎖相放大器等。</p><p>　　1.4虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW簡介</p><p>　　1.4.1 虛擬儀器技術(shù)</p><p>　　1986年，美國國家儀器（National Instruments Corp，簡稱NI）推出了虛擬儀器(Virtual Instrument,簡稱VI)的概念。虛擬儀器技術(shù)深層結(jié)合了現(xiàn)代

39、計算機技術(shù)與儀器技術(shù)，成為計算機輔助測試（Computer-aided Test，CAT）領(lǐng)域中的一項重要技術(shù)[1]。</p><p>　　在過去的20年里，計算機的迅速普及極大地推動了用于測試、測量和自動化等領(lǐng)域的儀器發(fā)展。虛擬儀器是計算機普及以來最主要的一個發(fā)展產(chǎn)物，使得科學(xué)家和工程師們能夠在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中得以提高生產(chǎn)效率、改善測量儀器的精度和性能。虛擬儀器由一個工業(yè)標準計算機或工作站配備了功能強大的應(yīng)

40、用軟件、高性價比的模塊化軟件（如插件板和驅(qū)動軟件），共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器代表了從傳統(tǒng)的硬件為中心的儀器系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)變，虛擬儀器的硬件系統(tǒng)（尤其是I/O接口設(shè)備）對輸入信號進行采集、測量與調(diào)理；軟件才是儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，計算機軟件完成信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理過程，在計算機顯示器上模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以數(shù)據(jù)、表格及波形等各種形式輸出檢測結(jié)果，實現(xiàn)滿足用戶需求的各種測試功能。雖然計算機技術(shù)和集成技術(shù)在過去的20年里都有了顯著

41、的進步，但虛擬儀器技術(shù)提供了建立在這個強大的硬件技術(shù)上的虛擬儀器，能夠更好地使用創(chuàng)新的方法實現(xiàn)測試、測控以及自動化等功能，顯著降低成本，提高效率。隨著虛擬儀器的發(fā)展，工程師和科學(xué)家們得以徹底滿足他們對設(shè)計的需求（用戶自定義），而不是通過傳統(tǒng)儀器的固化了的功能用于測量和自動化領(lǐng)域（供應(yīng)</p><p>　　傳統(tǒng)儀器如示波器、波形發(fā)生器等都具備很強大的功能，但是一般價格比較昂貴，而且只能夠按照供應(yīng)商的定義進行一個或多

42、個任務(wù)。一般情況下，用戶不能跨領(lǐng)域或自定義使用的硬件儀器設(shè)備。提供給用戶的傳統(tǒng)儀器的旋鈕和按鈕，內(nèi)置的電路及其功能，都是特定于儀器的性質(zhì)。此外，專用的技術(shù)和昂貴的資金投入使得這些傳統(tǒng)儀器的開發(fā)周期非常長，不利于科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用的長期發(fā)展。相比之下，由于虛擬儀器是基于PC的，可以充分利用最新技術(shù)的優(yōu)勢將其納入現(xiàn)成的計算機體系內(nèi)。這些先進的技術(shù)和性能，正在迅速地減小獨立儀器和計算機技術(shù)之間的差距。</p><p>

43、　　所謂虛擬儀器，是以通用計算機為核心，根據(jù)用戶度對儀器的設(shè)計定義，用軟件實現(xiàn)虛擬控制面板和測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件積極式為了解決信號的輸入、輸出、和調(diào)理，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，上使用者可以通過修改軟件，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以說“軟件即是儀器”。</p><p>　　虛擬儀器由通用儀器平臺（簡稱硬件平臺）和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。隨著測試、測量應(yīng)用的日益復(fù)雜，目

44、前市場上提供的模塊化硬件產(chǎn)品也非常豐富，比如，總線類型支持PCI、PXI、PCMCIA、USB和1394總線等，產(chǎn)品種類從數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通信等。按照硬件接口的不同，虛擬儀器可分為基于PC總線、GPIB總線、VXI總線、PXI總線和LXI總線的5種標準體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的軟件構(gòu)架從底層到頂層，由VISA（Virtual Instrumentation Softwar

45、e Architecture）庫、儀器驅(qū)動庫、應(yīng)用軟件三部分組成。VISA庫實質(zhì)上就是標準I/O庫函數(shù)及相關(guān)規(guī)范的總稱，一般將I/O函數(shù)庫稱為VISA庫。VISA庫駐留于計算機系統(tǒng)中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，起著連接計算機與儀器的作用，以實現(xiàn)對儀器的控制。儀器驅(qū)動程序是指能實現(xiàn)某一儀器控制系統(tǒng)與通信的軟件程序集，是語言程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。儀器的驅(qū)動程序有儀器生產(chǎn)商以源代碼形式提供給用戶使用，每個儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動程序。儀器驅(qū)動

46、程序又稱為驅(qū)動器。目前，廣</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得科學(xué)家和工程師們再也不用封閉在固定傳統(tǒng)儀器的狹窄的操作空間中，能夠很容易根據(jù)自己的需求建立測量和控制系統(tǒng)。在通信工程、物理勘探、電子測量、生物醫(yī)學(xué)工程、聲學(xué)分析、振動分析、機械故障診斷及基礎(chǔ)科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。在自動化測控領(lǐng)域，虛擬儀器可用于采集、控制數(shù)據(jù)；在航天航空工程中，虛擬儀器可用于監(jiān)測和分析火箭或衛(wèi)星傳遞來的復(fù)雜數(shù)據(jù),已被

47、美國航天航空局(NASA)用于火星探險；在電子和通信工程中，虛擬儀器可用于電子測量和信號分析；在基礎(chǔ)學(xué)科的研究中，虛擬儀器可用于設(shè)計虛擬實驗系統(tǒng)，例如用于生化領(lǐng)域中監(jiān)測薄膜分子的相互作用，以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中嗅覺和視覺的理論研究。</p><p><b>　　LabVIEW簡介</b></p><p>　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrum

48、ent Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺)是一種基于G（Graphic）語言的開發(fā)、調(diào)試和運行程序的集成環(huán)境。與所有通用編程環(huán)境相同的是，LabVIEW具備了諸如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、事件處理以及內(nèi)置編譯器等標準功能；而不同點在于，作為基于G語言的開發(fā)環(huán)境，LabVIEW簡單、自然、可視化的程序開發(fā)方式允許開發(fā)者可以通過各種交互式的方式進行編程。LabVIEW支持與多種總線接口系統(tǒng)的通信連接，成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界中廣

49、泛使用做數(shù)據(jù)采集、儀器控制和數(shù)據(jù)顯示與分析等測量與自動化領(lǐng)域的有力工具。</p><p>　　LabVIEW的主要特點可概括如下[2]：</p><p>　　圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，可視化技術(shù)建立人機友好界面，并使用工程師和科學(xué)家們熟悉的圖形符號而不是文本式語言描述程序的行為。</p><p>　　內(nèi)部配置高效的編譯器，提升程序運行速度。</p><

50、p>　　靈活的程序調(diào)試手段，用戶可以在程序中設(shè)置斷點單步執(zhí)行程序，在數(shù)據(jù)流上設(shè)置探針，加亮執(zhí)行，便于觀察程序運行過程中數(shù)據(jù)變化。</p><p>　　功能強大的數(shù)據(jù)處理和分析函數(shù)庫，幾乎包括儀器設(shè)計中所需要的所有函數(shù)。</p><p>　　支持多種系統(tǒng)平臺，不同軟件平臺之間的程序可以通用。</p><p>　　非封閉式的開發(fā)平臺，提供DLL庫接口和CIN接口，

51、支持OLE功能，可以調(diào)用其他軟件平臺的編譯模塊。</p><p>　　強大的網(wǎng)際功能，支持基于TCP/IP、DDE、ActiveX及DataSocket實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)交流。</p><p>　　一個LabVIEW程序一般由都由前面板（Front Panel）、框圖（Block Diagram）及圖標連線板（Icon and Connector）三部分構(gòu)成。</p><

52、;p><b>　　1.前面板</b></p><p>　　前面板是VI的交互式用戶界面，外觀和功能都類似于傳儀器面板，用戶的輸入數(shù)據(jù)通過前面板船體給框圖，計算和分析結(jié)果也在前面板上以數(shù)字、圖形、表格等各種不同方式顯示出來。</p><p>　　前面板上的各類控件根據(jù)輸入輸出功能可分為輸入控件（Control）和顯示控件（Indicator）兩類，前者一般用于接受

53、用戶輸入，包括編輯框、按鈕、開關(guān)、旋鈕等，或者則一般用于顯示輸出結(jié)構(gòu)，包括圖形、指示燈、指示框等。</p><p>　　以LabVIEW自帶的例程“Analyze Frequency Response of Filter.vi”為例，其前面板如圖1.1所示，其中包含了濾波器類型、采樣頻率、高低截止頻率以及階數(shù)等參數(shù)設(shè)置。</p><p>　　圖1.1 Analyze Frequency

54、Response of Filter.vi前面板</p><p><b>　　2.框圖</b></p><p>　　框圖是程序代碼的圖形化表示，可通過選擇菜單項中“窗口→顯示程序框圖”或者使用快捷鍵Ctrl+E在前面板和框圖之間切換。框圖中含有各種圖形化的函數(shù)、子VI、變量、常量、結(jié)構(gòu)和連線，從前面板中得到用戶輸入的數(shù)據(jù)后，按照所編寫的程序以數(shù)據(jù)流方式進行運算，最后給

55、出結(jié)果并反饋給用戶。</p><p>　　圖1.2 Analyze Frequency Response of Filter.vi程序框圖</p><p><b>　　3.連線板</b></p><p>　　連線板則用來定義輸入和輸出，用戶可以在界面右上角的VI圖標上用鼠標右鍵點擊，選擇“顯示連線板”，調(diào)出當(dāng)前VI的連線板進行設(shè)置。</

56、p><p>　　如果將虛擬儀器與固定傳統(tǒng)儀器作類比，前面板就像是儀器的操作和顯示面板，提供各種參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示，框圖就像是儀器內(nèi)部的印刷電路板，是儀器的核心運算部分，對儀器用戶來講則是看不見的，而圖標和連線就可以比作電路板上的電子設(shè)備集成電路，確保儀器的邏輯和操作功能是正常的。</p><p>　　與枯燥乏味的文本編程相比，用戶在LabVIEW編程中要做的步驟是正確設(shè)置參數(shù)，并與各個子虛擬儀

57、器連接。編寫程序的一般過程就是使用鼠標挑選合適的控件、連線并設(shè)置參數(shù)，顯然更可視化、易于操作。</p><p>　　LabVIEW從1986年面世到現(xiàn)在，已有很多更新版本，可以在多個操作系統(tǒng)運行。LabVIEW的附加工具包更是為不同工程行業(yè)的應(yīng)用和開發(fā)提供了支持。歷經(jīng)二十多年的不斷進步，LabVIEW依靠其全新的理念和突出的特點，幾乎成為自動化與測控行業(yè)的業(yè)界標準。</p><p><

58、;b>　　1.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章從課題研究背景及其現(xiàn)實意義出發(fā)，凸顯出鎖相放大器在微弱信號檢測領(lǐng)域的重要性以及利用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字鎖相放大器功能的優(yōu)勢。對鎖相放大器發(fā)展歷程和LabVIEW軟件開發(fā)平臺的介紹，指明了本論文后續(xù)工作的方向，能夠認知課題研究的關(guān)鍵問題和實現(xiàn)方案。</p><p>　　2 鎖相放大器的基本理論</p>

59、;<p>　　鎖相放大器（LIA，Lock-in Amplifier，又稱鎖定放大器）是對交變信號進行相敏檢波的檢測儀器，以與待測信號同頻的參考信號為基準，利用待測信號與參考信號相關(guān)而與噪聲不相關(guān)的原理檢測待測信號，能夠極大的抑制噪聲，提高檢測信噪比[3]。典型的鎖相放大器模型一般由信號通道、參考通道、相敏檢波器（PSD，Phase Sensitive Detector）和低通濾波器（LPF）構(gòu)成，如圖2.1所示：<

60、/p><p>　　圖2.1 典型鎖相放大器模型</p><p>　　信號通道的作用是將伴有噪聲的微弱信號x(t)交流放大以推動相關(guān)器正常工作，并可以用帶通濾波器濾除部分噪聲，以提高相敏檢測器的動態(tài)范圍。參考通道輸入與待測信號同步的參考信號r(t)，通常為對稱方波或正弦波。在PSD內(nèi)完成待測信號和參考信號的相敏檢測，輸出信號就是待測信號與參考信號的互相關(guān)函數(shù)信號，使用通頻帶較窄的低通濾波器濾除

61、與參考信號不相關(guān)的噪聲，最終檢測提取出待測信號的幅值和相位。低通濾波器的通頻帶寬帶寬決定了鎖相放大器輸出信號Vout(t)的信噪改善比，低通濾波器的通頻帶寬越窄則鎖相放大器的輸出信噪改善比越好[4]。</p><p>　　2.1 相關(guān)檢測原理</p><p>　　相關(guān)檢測技術(shù)是利用信號周期性和噪聲隨機性的特點，通過自相關(guān)或互相關(guān)運算達到濾除噪聲的技術(shù)。相關(guān)檢測技術(shù)可細分為互相關(guān)檢測和自相

62、關(guān)檢測，前者的抗干擾性能優(yōu)于后者，因此鎖相放大器通常利用互相關(guān)檢測原理來實現(xiàn)相敏檢波[5]。</p><p>　　設(shè)輸入信號X(t)=S(t)+N(t),其中S(t)為待測信號，N(t)為加性噪音,R(t)為參考信號。按照互相關(guān)的定義，輸入信號與參考信號作互相關(guān)運算可以得到：</p><p>　　RXR()==RSR()+RNR()(2.1)</p><p&g

63、t;　　因為噪聲與參考信號不相關(guān)，得到RNR()=0，則RXR()=RSR()(2.2)</p><p>　　至此，經(jīng)過互相關(guān)運算濾除了噪聲，輸出信號為待測信號與參考信號的互相關(guān)函數(shù)，再將輸出信號解調(diào)就可以得到待測微弱信號。</p><p>　　2.2 相關(guān)檢測技術(shù)</p><p>　　鎖相放大器的核心部件是相敏檢測器，由乘法器和窄帶低通濾波器構(gòu)成。其中乘

64、法器實現(xiàn)相干解調(diào)，實現(xiàn)輸入仿真信號與參考信號相乘的運算，低通濾波對乘法器輸出信號進行處理，濾除高頻含量，得到與被測信號有關(guān)的直流量[6-7]。</p><p>　　任何周期性信號都可以通過傅里葉變換展開為三角級數(shù)的形式，因此，正弦信號可以作為本次設(shè)計中的基本信號，從而對鎖相放大器的性能進行調(diào)試和分析。</p><p>　　假如輸入信號為X(t)=S(t)+N(t)，S(t)為微弱正弦信號，

65、N(t)為加性噪聲，R（t）為正弦參考信號。</p><p>　　X(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωSt+θS)+N(t)(2.3)</p><p>　　R(t)=Rsin(ωRt+θR)(2.4)</p><p>　　輸入信號X(t)與參考信號N(t)相乘之后，對于的輸出VPSD(t)為：</p&g

66、t;<p>　　VPSD(t)=[Asin(ωSt+θS)+N(t)]·[Rsin(ωRt+θR)]</p><p>　　=cos[(ωS-ωR)t+(θS-θR)]-cos[(ωS+ωR)t+(θS+θR)]+N(t)Rsin(ωt+θR) (2.5)</p><p>　　因此，若忽略考慮加性噪聲的影響，乘法器的輸出得到待測信號和參考信號的差頻成分與倍頻諧波分量。

67、對于鎖相放大器來講，參考信號通常是與待測信號同步的，最終通過低通濾波器后的輸出為</p><p>　　Vout=cos(θS-θR)(2.6)</p><p>　　這個直流輸出信號的大小除了與待測信號和參考信號的振幅相關(guān)外，還與兩者的相位差的余弦值成正比，這構(gòu)成了鎖相放大器的基本原理。從頻域上來講，鎖相放大器利用頻譜遷移的原理抑制噪聲，用調(diào)制器將原信號的頻譜

68、從ω處遷移到ω=0和ω=2ω處，再經(jīng)過窄帶低通濾波器濾除輸出信號中的高頻分量就可以得到與待測信號和參考信號的幅值、相位都相關(guān)的輸出信息。相敏檢測器的帶寬取決于低通濾波器的帶寬，而低通濾波器的性能決定了測量的準確性。因此，低通濾波器的設(shè)計指標關(guān)乎鎖相放大器設(shè)計的抑噪性能和精度，在后面的文章中對低通濾波器會有詳細的介紹。</p><p>　　在一路參考信號輸入的鎖相放大器中，鎖相放大器的輸出與參考信號的幅度、相位都有

69、關(guān)系。因此，在參考信道中需要設(shè)計一個參考信號相位精準可調(diào)的移相電路，若不改變參考信號的幅值，通過改變參考信號的相位來判斷待測信號的相值信息。當(dāng)參考信號與待測信號同相時，得到的直流輸出最大；當(dāng)參考信號與待測信號相差為180°時，得到負最大的直流輸出；當(dāng)參考信號與待測信號的相差為90°或270°時，鎖相放大器的輸出值為0。因此，可以通過調(diào)節(jié)參考信號的相位以獲得待測信號的相值。</p><p&

70、gt;　　2.3 正交矢量型鎖相放大器</p><p>　　若將參考信號的相位移動90°，使用兩個相敏檢測電路則可以構(gòu)成不需調(diào)節(jié)相位的雙鎖相放大器，也稱正交矢量型鎖相放大器[8]。在參考信號幅度和相位已知情況下，，這種鎖相放大器克服了測量結(jié)果對相位差的依賴，根據(jù)兩個輸出分了的正交性可以計算出被測信號的幅值和相位，避免了對參考信號的可變移相對測量帶來的準確性影響。正交矢量型鎖相放大器的基本電路構(gòu)成如下：

71、</p><p>　　圖2.2 雙鎖相放大器模型</p><p>　　由雙鎖相放大器的模型可以得到兩路參考信號下的輸出，有：</p><p>　　I=sin(θS-θR)(2.6)</p><p>　　Q=cos(θS-θR)(2.7)</p><p>　　則通

72、過一定的計算很容易就可以得到待測信號的幅值和與參考信號的相位差：</p><p>　　A=(2.8)</p><p>　　θS-θR=artan()(2.9)</p><p>　　2.4 模擬與數(shù)字鎖相放大器性能對比</p><p>　　早期應(yīng)用于檢測強噪聲背景下微弱信號的鎖相放大器

73、是用模擬電路實現(xiàn)的，雖然在發(fā)展之初大幅度提高了微弱信號檢測的技術(shù)，但隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，對微弱信號檢測儀器提出了高精度、高穩(wěn)定性的要求，模擬鎖相放大器的局限性越發(fā)的凸顯出來：</p><p>　　模擬鎖相放大器由模擬電子器件構(gòu)成，本身會產(chǎn)生大量噪聲（包括有源噪聲和無源噪聲），進而對鎖相放大器的性能造成影響。</p><p>　　相敏檢波器是鎖相放大器的核心部件，模擬電子器件的線性范圍小

74、，易飽和，難以保證相關(guān)運算的精度，以致系統(tǒng)的精度收到很大程度的限制。</p><p>　　模擬鎖相放大器的積分器因電容自身的漏電現(xiàn)象，積分時間不可能達到理論上的無限長，導(dǎo)致噪聲并沒有被完全抑制，使儀器對還變周期信號的檢測效果變差。</p><p>　　模擬鎖相放大器是一個開環(huán)系統(tǒng)，因此自身無法糾正干擾產(chǎn)生的誤差。</p><p>　　如今，各類各樣的數(shù)字信號處理方法

75、代替了傳統(tǒng)的模擬信號處理方法，數(shù)字相敏檢波器的實現(xiàn)最終出現(xiàn)了真正意義上的數(shù)字鎖相放大器。與模擬鎖相放大器相比，數(shù)字鎖相放大器有諸多的優(yōu)勢[9-10]。</p><p>　　數(shù)字鎖相放大器的信號輸出通道中不存在直流放大電路，就不會產(chǎn)生由直流放大器的工作特性而引起的溫漂和時變性等干擾問題；</p><p>　　數(shù)字鎖相放大器的內(nèi)部晶振時鐘穩(wěn)定性較高，隨時間推移和溫度變化小，一方面能降低參考信號

76、的不穩(wěn)定所導(dǎo)致的誤差，而另一方面在內(nèi)部參考模式中，數(shù)字信號處理單元能在最短時間甚至能實時就能完成鎖相功能，尤其在頻率掃描測量中有其明顯的優(yōu)勢；</p><p>　　數(shù)字鎖相放大器具備高性能的正交解調(diào)技術(shù)，檢測正交性的待測信號時可以在很大程度上提高微弱信號檢測的準確性；</p><p>　　數(shù)字技術(shù)的發(fā)展促使數(shù)字信號處理單元的集成度不斷提高但成本降低，從而使得數(shù)字鎖相放大器的性價比相應(yīng)提高，

77、因此數(shù)字鎖相技術(shù)在未來的測試測量領(lǐng)域?qū)⒅袝a(chǎn)生更深入的變革。</p><p>　　2.4 數(shù)字濾波器的設(shè)計</p><p>　　相敏檢波器的輸出信號為被測信號的差頻分量和倍頻分量，再通過低通濾波器之后便可以得到含有被測信號幅值、相位信息的直流分量。低通濾波器的通頻帶寬決定了濾波器的性能和指標，進而影響鎖相放大器的精度。因此，有必要在這里對數(shù)字濾波器的設(shè)計進行討論，以得到適用于鎖相放大器的

78、低通濾波器[11-12]。</p><p>　　濾波器是信號處理中的一個常用概念，實際上我們可以將其看作一個黑箱。所謂濾波，是指根據(jù)輸入信號估計輸出信號，其中輸入信號與輸出信號存在某種程度上的關(guān)聯(lián)。濾波器的種類很多，應(yīng)用很廣。按照濾波器處理信號的不同可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器；按照處理信號所處頻帶的不同，濾波器可分為：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等；按照構(gòu)成的元器件的不同可分為有源濾波器和無源

79、濾波器；按照濾波器參數(shù)的時變性，可分為時變?yōu)V波器和時不變?yōu)V波器；按照信號的輸入與輸出關(guān)系可分為線性濾波器和非線性濾波器[13-15]。</p><p>　　過去多數(shù)采用模擬電路設(shè)計濾波器，但是模擬電子技術(shù)存在溫漂、電壓漂不穩(wěn)定和引入噪聲等復(fù)雜的問題，而數(shù)字濾波器的發(fā)展建立在現(xiàn)代數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing, DSP）技術(shù)基礎(chǔ)上，已經(jīng)可以取代模擬濾波器。數(shù)字濾波是數(shù)字信號處理的基

80、本內(nèi)容之一，本質(zhì)上講是對離散的數(shù)字量進行合理的運算處理，從頻域?qū)崿F(xiàn)信號分離的功能。數(shù)字濾波器又可以分為有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器和無限沖激響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波器[16]。</p><p>　　一個數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以表示為：</p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　由H（z）得出系統(tǒng)輸入輸出的常函數(shù)線性

81、差分方程為：</p><p><b>　　(2.11)</b></p><p>　　設(shè)N階FIR數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)為h(n)≠0，n=0,1,2,…N-1,則傳遞函數(shù)可表示為：</p><p><b>　　(2.12)</b></p><p>　　FIR濾波器的頻率響應(yīng)為：</p>

82、<p><b>　　(2.13)</b></p><p>　　可以看出，F(xiàn)IR濾波器總是穩(wěn)定的，因此設(shè)計起來也相對簡單[17-18]。</p><p>　　IIR濾波器的設(shè)計采用遞歸結(jié)構(gòu)，它的運算結(jié)構(gòu)由時延遲、乘系數(shù)和相加等基本運算組成，傳遞函數(shù)表達式為：</p><p><b>　　(2.14)</b>&l

83、t;/p><p>　　其中，α1k、α2k、β1k、β2k（k=0,1,2,…,N）代表IIR濾波器的系數(shù)，其頻率響應(yīng)為：</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p>　　常規(guī)的IIR濾波器有Chebyshev濾波器、Butterworth濾波器、橢圓濾波器和Bessel濾波器等。數(shù)字濾波器的類型不同，所具有的特點也不盡相同,

84、因此在實際應(yīng)用的過程要根據(jù)所需濾波器的要求其響應(yīng)指標。以下是IIR與FIR數(shù)字濾波器的各方面性能的對比[19-20]：</p><p>　　IIR濾波器中有輸出對輸入的反饋網(wǎng)絡(luò)，使用較少的存儲單元和計算次數(shù)，相比之下比較適用。同等技術(shù)指標下，F(xiàn)IR濾波器需要用較高的階數(shù)才可以達到指標的要求，而IIR濾波器則不需要。一般情況下，F(xiàn)IR濾波器的階數(shù)要比IIR濾波器高5到10倍左右。</p><p&

85、gt;　　FIR濾波器的相位是嚴格線性的，而IIR濾波器的選擇性越好反而導(dǎo)致相位的非線性更加嚴重。如果是IIR濾波器要求得到線性相位，又可以實現(xiàn)振幅濾波的技術(shù)指標，就需要通過全通網(wǎng)絡(luò)補償相位，這同樣很大程度上增加了濾波器的階數(shù)。因此，從這方面考慮FIR濾波器又比IIR濾波器要好一些。</p><p>　　IIR濾波器的設(shè)計對運算工具要求不高，運算量也較小，因為可以利用模擬濾波器設(shè)計中已有的閉合公式、表格和數(shù)據(jù)。而

86、FIR濾波器一般沒有可利用的現(xiàn)成公式，窗函數(shù)法雖然給出了窗函數(shù)的計算公式，但是計算通帶、阻帶衰減還是沒有現(xiàn)成可利用的表達式。FIR濾波器的設(shè)計往往需要使用電腦，只有少數(shù)的機器代碼可以利用。</p><p>　　IIR濾波器的設(shè)計必須使用遞歸結(jié)構(gòu)，只有極點在z平面單位圓內(nèi)才能穩(wěn)定。這種結(jié)構(gòu)進行運算時，四舍五入的處理會產(chǎn)生寄生振蕩。FIR濾波器則主要采用非遞歸結(jié)構(gòu)，所以理論上和實際中的有限精度的運算中都是平穩(wěn)的，誤差

87、較小。</p><p>　　FIR濾波器的沖激響應(yīng)有限長，可利用快速傅里葉算法，加快執(zhí)行速度。IIR濾波器的沖激響應(yīng)是無限長的，不能夠這樣進行運算。</p><p>　　IIR濾波器主要是用于設(shè)計規(guī)范化化的、頻率特性為分段恒值的標準低通、帶通、帶阻、高通以及全通濾波器。FIR濾波器則沒有這么局限性，能夠設(shè)計出理想微分器、線性調(diào)頻器、理想正交變換器等多個網(wǎng)絡(luò)，具有廣泛的適用性。</p&

88、gt;<p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了鎖相放大器的基本框架結(jié)構(gòu)，重點介紹了相敏檢波器的工作原理，針對單鎖相放大器的不足引出正交矢量型鎖相放大器的概念。最后把數(shù)字鎖相放大器和模擬鎖相放大器的性能在各方面進行對比，凸顯出數(shù)字鎖相放大器性能方面的優(yōu)勢，最后對鎖相放大器中濾波器設(shè)計的要求作了闡述，使得對本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)有了較為深入的了解。

89、</p><p>　　3 數(shù)字鎖相放大器的軟件設(shè)計</p><p>　　3.1 數(shù)字鎖相放大器的前面板</p><p>　　虛擬儀器的前面板盡量仿照實際儀器的操作和顯示器的效果進行設(shè)計，輸入控件使用了簡潔明了的數(shù)值直接輸入的方式，而輸出及顯示控件的方式選擇相對較多，有直接數(shù)值輸出、儀表和波形圖等多種方式，使得儀器交互式界面友好，可操作性強。數(shù)字鎖相放大器的前面板

90、由信號設(shè)置、信號顯示、信號處理與分析三部分構(gòu)成，所設(shè)計的數(shù)字鎖相放大器的前面板如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 數(shù)字鎖相放大器前面板設(shè)計</p><p>　　信號設(shè)置包括輸入仿真信號、參考正弦信號的頻率、幅值及相位等通過按鍵設(shè)置，噪聲的類型和幅值以及仿真信號和參考信號的采樣信息（包括采樣頻率和采樣數(shù)，采樣頻率的設(shè)置要滿足奈奎斯特定理，同時參考信號的采樣信息要與待測信號的采樣

91、信息保持一致）可以通過仿真信號程序框圖來設(shè)置，重置按鈕控制仿真信號和參考信號的輸入，停止按鈕控制程序的啟停。</p><p>　　信號顯示部分包括原始的疊加了均勻白噪聲（噪聲類型也可以通過仿真信號程序框圖進行調(diào)節(jié)）的輸入信號、經(jīng)前級濾波后的信號以及經(jīng)恢復(fù)還原后的輸出信號。</p><p>　　信號處理與分析部分實現(xiàn)數(shù)字鎖相放大器的低通濾波器截止頻率設(shè)置（濾波器的類型、階數(shù)等也可以通過程序框

92、圖進行設(shè)置）以及還原信號的總諧波失真、信噪比、頻率、幅值、相位等信息處理結(jié)果顯示。</p><p>　　圖3.2 程序運行中的虛擬鎖相放大器的前面板顯示</p><p>　　3.2 數(shù)字鎖相放大器程序框圖</p><p>　　虛擬數(shù)字鎖相放大器的程序流程圖如圖3.3所示，采用了循環(huán)結(jié)構(gòu)使程序連續(xù)運行，直至按下停止鍵或者系統(tǒng)出錯時才退出運行。程序通過兩路信號的輸入

93、，在信號通道對仿真信號進行了前級濾波處理，以濾除一部分噪聲，可以擴大鎖相放大器的動態(tài)檢測范圍，提高精度。相敏檢測模塊中乘法器完成正交的兩路參考信號與仿真信號的相關(guān)運算，再經(jīng)過通頻帶較窄的低通濾波器最終得到直流輸出。最后，通過一定的算法設(shè)計還原原始仿真信號。</p><p>　　圖3.3 數(shù)字鎖相放大器程序流程圖</p><p>　　如圖3.4顯示了數(shù)字鎖相放大器的程序框圖，從左到右整體可

94、劃分為信號生成模塊、前級濾波模塊、相敏檢波模塊、信號還原模塊及測量值顯示五大模塊。從程序框圖上來看，各個子模塊的實現(xiàn)是隨著數(shù)據(jù)流驅(qū)動進行的，在系統(tǒng)測試過程中可以驗證子模塊數(shù)據(jù)正誤和準確度，而且整個框架設(shè)計簡單、直觀，易于理解并有助于程序的調(diào)試和正確運行。</p><p>　　圖3.4 數(shù)字鎖相放大器程序框圖</p><p>　　3.3 各子模塊設(shè)計及功能介紹</p>&l

95、t;p>　　3.3.1 信號生成模塊</p><p>　　仿真信號由Express VI選板生成（如圖3.5），該控件可以對產(chǎn)生的正弦波形的參數(shù)進行調(diào)節(jié)（頻率、相位、幅值、偏移量等，也可以對采樣信息進行設(shè)置），并可以在波形上疊加各種噪聲信號（如高斯白噪聲、泊松噪聲、二項分布噪聲、周期性隨機噪聲等）以模擬真實的輸入效果。輸入信號通過前面板左下的控件進行參數(shù)調(diào)節(jié)。需要說明的是，本次設(shè)計為保證較大頻率范圍內(nèi)的測

96、試，采樣頻率設(shè)置為50kHz,采樣數(shù)自動生成為5000；在進行仿真測試過程中添加的是頻譜范圍較寬的均勻白噪聲，有利于測試鎖相放大器的選頻濾波性能。</p><p>　　圖3.5 仿真信號生成設(shè)置</p><p>　　參考信號可以由兩種方式產(chǎn)生：一種可以通過數(shù)據(jù)采集卡通過外部信號生成，另一種是采用軟件內(nèi)部產(chǎn)生的正弦波形的方式獲得。內(nèi)部生成的參考信號參數(shù)具有良好的穩(wěn)定性，且移相電路容易實現(xiàn)，

97、因此本次設(shè)計采用內(nèi)部產(chǎn)生參考信號的方式。參考信號的設(shè)置需在前面板的左下側(cè)與輸入信號設(shè)置板塊相鄰，參考信號的頻率需與待測信號保持一致，幅值的設(shè)置可以改變最終輸出直流分量的增益，雙相敏檢波情況下將其相位值設(shè)為0即可。</p><p>　　仿真信號和參考信號的設(shè)置都通過簇函數(shù)實現(xiàn)，LabVIEW中的簇是一種常用的符合類型數(shù)據(jù)，與C語言中的struct結(jié)構(gòu)體功能類似，簇整體可以將若干種不同類型的數(shù)據(jù)作為一個單元處理，大大

98、減少了連線數(shù)量和子VI的連接端口數(shù)量。需要說明的是，簇作為一個整體，只能作為輸入控件或顯示控件，所以變量被拖入簇中成為簇元素后，都統(tǒng)一變成輸入控件或顯示控件。在程序框圖中可見，在簇的輸入控件之后需要有一個相對于的解綁函數(shù)把對應(yīng)的簇的輸入信息連接到仿真信號和參考信號中，這樣操作比較簡單方便，利于模塊化管理。</p><p>　　在參考信道生成的兩路信號有90°的相位差（相互正交），通過一個簇的定義和加法器

99、實現(xiàn)簡單的移相電路單元，可以避免兩路參考信號的不同步問題。</p><p>　　布爾輸入控件可以控制仿真信號和參考信號的重置信息，在仿真過程中如若設(shè)置新的參數(shù)后可以通過重置按鈕來觀察調(diào)試新的仿真結(jié)果。</p><p>　　信號生成模塊如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 信號生成模塊</p><p>　　3.3.2前級濾波模塊&l

100、t;/p><p>　　微弱信號檢測中待測信號相較于背景噪聲往往太弱小以至于被淹沒，因此鎖相放大器設(shè)計需要對輸入信號進行前級濾波處理，以達到濾除部分噪聲，擴大鎖相放大器的動態(tài)檢測范圍的效果。前級濾波模塊使用的是LabVIEW提供的帶通濾波器，可在程序框圖中設(shè)置濾波器的類型和階數(shù)、高截止頻率和低截止頻率（如圖3.7），并可以直觀地觀察所設(shè)計的濾波器的時域的輸入輸出數(shù)據(jù)顯示和頻域的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。系統(tǒng)中使用的是9階貝塞

101、爾濾波器，帶通濾波器的高截止頻率設(shè)置為參考信號的1.2倍，低截止頻率為參考信號的1/1.2。前級濾模塊的程序框圖如圖3.8所示：</p><p><b>　　圖3.7濾波器配置</b></p><p>　　圖3.8 前級濾波模塊</p><p>　　3.3.3 相敏檢波模塊</p><p>　　相敏檢波模塊主要由相敏

102、檢測器和低通濾波器兩部分組成，如圖3.9。相敏檢測器由乘法器實現(xiàn)，完成輸入信號與參考信號間的相關(guān)運算，得到與待測信號的幅值和相位有關(guān)的輸出信息。LabVIEW可以設(shè)計帶寬極小的低通濾波器，其參數(shù)設(shè)置可以通過程序框圖來調(diào)節(jié)以適應(yīng)各種不同信噪比的輸入信號的濾波處理。低通濾波器使用的是LabVIEW提供的9階巴特沃斯濾波器。圖3.10顯示的是該濾波器低截止頻率為100Hz時的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。當(dāng)帶寬較小時，濾波器表現(xiàn)出較強的抑噪能力，具有較

103、高的精度，但是以較長響應(yīng)時間的為代價實現(xiàn)。相反，當(dāng)帶寬較大時，精度較低，抑噪能力稍弱，但響應(yīng)時間也較短。</p><p>　　信號經(jīng)過濾波之后，一方面通過一些前述章節(jié)的數(shù)值計算得到仿真信號的幅值信息；而另一方面則通過反正切函數(shù)可以得到仿真信號與參考信號的相位差。這里使用的反正切函數(shù)可以計算y/x的反正切（圖3.11），該函數(shù)可以計算XY坐標系中四個象限中任意角的反正切值，采用弧度制、輸出值的范圍為(-π,π]。由

104、于濾波器輸出的是動態(tài)數(shù)據(jù)，因此這里也需要將其轉(zhuǎn)換為雙精度數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖3.9 相敏檢測模塊設(shè)計</p><p>　　圖3.10巴特沃斯濾波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)</p><p>　　圖3.11 LabVIEW中的atan2圖形函數(shù)</p><p>　　3.3.4 信號還原模塊</p><p>　　在

105、信號還原模塊中，根據(jù)已知參數(shù)或者測量結(jié)果通過公式節(jié)點法來恢復(fù)微弱有用信號。待測信號的頻率已知由參考信號提供，而信號幅值和相位的輸入通過信號處理模塊測量得到較為平穩(wěn)的信號，因此可以還原出相對應(yīng)的正弦信號，以便對檢測出的信號進行分析和識別（如圖3.12）。</p><p>　　信號還原模塊使用了for循環(huán)結(jié)構(gòu)運行，循環(huán)次數(shù)設(shè)置為1000，可以使還原輸出信號得到較平滑的數(shù)據(jù)。其中，a為還原信號的幅值輸入，b為常數(shù)2π，

106、c為參考信號的頻率，d為正弦函數(shù)中的自變量，e為經(jīng)還原得到的相位信息。</p><p>　　圖3.12 信號還原模塊</p><p>　　3.3.5 測量顯示模塊</p><p>　　該模塊通過LabVIEW自帶的波形測量選板對還原后的信號進行處理和分析，對其波形進行還原效果分析，給出還原信號的幅值、相位以及總諧波失真等指標，對設(shè)計的數(shù)字鎖相放大器進行性能評估。