數字鎖相放大器的實現研究
2020-12-05 電子產品世界
摘要：基於DSP設計了一種採樣頻率可控的數字鎖相放大器。針對數字鎖相放大器對低通濾波器性能的要求，採用CIC和降採樣的方法，實現了一種高效的窄帶低通濾波器。測試結果表明，在採樣頻率為500 kHz時，低通濾波器的通帶截止頻率可達0．5 Hz；當輸入信號幅度為5～150 mV時，系統測試的相對誤差小於0．5％；當輸入信號幅度為1～50μV時，系統測試的相對誤差小於2％；同時系統在1～120 kHz的工作範圍內，具有較好的一致性。
關鍵詞：鎖相放大器；採樣率；積分梳狀濾波器；降採樣
0 引言
弱信號檢測一直是測量領域的重點研究問題。鎖相放大器是一種能夠檢測微弱周期信號的精密儀器。它利用相關檢測的方法，能夠測量μV(甚至nV)量級信號的幅度和相位，並且具有極強的抗幹擾能力，因而在很多測量領域(如電學、光學、熱學及生物學等)得到了廣泛的應用。早期的鎖相放大器都是基於模擬電路設計的。由於模擬器件在帶寬、溫漂、直流偏置以及器件老化等方面的限制，模擬鎖相放大器在測量精度、測量穩定性和抗噪聲能力等方面均受到很大的限制；數字鎖相放大器通過數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，將模擬信號轉換到數字域進行檢測和處理，具有動態範圍大，測量誤差小，不受運放溫漂和偏置影響等優勢。近年來隨著數位訊號處理器的飛速發展，模擬鎖相放大器逐漸被數字鎖相放大器所取代。本文對數字鎖相放大器的硬體結構和相關算法進行了研究，設計了一種採樣頻率可控的系統結構，並利用積分梳狀濾波器和降採樣的方法實現了高效的窄帶低通濾波器，滿足了系統實時性要求。測試結果表明，該系統能夠達到較高的測試精度。
1 數字鎖相放大器的基本原理
數字鎖相放大器利用輸入信號與參考信號的相關性、待測信號與噪聲的互不相關性來完成測量。其基本原理如圖1所示。
將輸入信號定義為：
X(t)=Asin(ωt+φ)+n(t) (1)
式中：A為輸入信號的幅度；ω是輸入信號的角頻率；φ是輸入信號的相位；n(t)是輸入信號中混入的噪聲(噪聲強度可以遠大於信號強度)。參考信號由兩路相互正交的正弦信號構成。輸入信號和兩路正交的參考信號相乘之後，對應的輸出分別為：
將兩路輸出信號各經過一個理想的低通濾波器後，二倍頻和噪聲成分都會被濾除，此時兩路的輸出分別為：
由以上分析可知，數字鎖相放大器實際上是利用一個低通濾波器，實現了中心頻率為ω的帶通濾波器。低通濾波器的帶寬越窄，相應地，帶通濾波器的帶寬也越窄，濾除噪聲的能力也越強。低通濾波器的截止頻率決定了系統的抗噪聲能力，通帶內波動決定了輸出的穩定性。由於系統對線性相位的要求，濾波器需採用FIR型低通濾波器來實現。而採用傳統的單級FIR濾波器來實現窄帶低通濾波器需要很高的階數，運算量較大，難以實時實現，並且濾波性能易受濾波器係數的影響。低通濾波器的性能好壞，直接決定著數字鎖相放大器濾除噪聲的能力。如何設計和實現高性能的低通濾波，是影響數字鎖相放大器性能的關鍵。
2 數字鎖相放大器的結構設計
微控制器採用了德州儀器(Texas Instrument，TI)公司的MSP430F149，其主要功能包括系統控制和狀態檢測。待測的輸入信號經過放大、濾波後進入ADC。其中，ADC的採樣速度決定了系統能夠測試信號的最高頻率。本系統採用了TI公司的AD8329，這是一款16 b的高精度串行模／數轉換器，最高採樣速率可達1 MSPS。
為了防止ADC的轉換數據丟失，系統必須對採集到的大量數據進行實時處理。數字鎖相放大器的實時性對數位訊號處理器的速度提出了很高的要求。雖然目前市場上主流的定點和浮點DSP器件的數據處理速度相比以前有了很大提升，但是它仍然是制約數字鎖相放大器測量頻率範圍進一步增加的主要原因。為了降低系統對DSP處理速度的要求，提高檢測的最高頻率，一些系統甚至將DSP的部分功能通過外圍電路來實現，比如採用中心頻率可控的模擬濾波器來濾除輸入信號的帶外噪聲，利用FIFO結合CPLD來緩衝ADC數據等。這些方法雖然減輕了DSP的運算負荷，但是也增加了系統的硬體成本和複雜度。
本系統以TI公司的TMS320VC5502為核心，設計了一種採樣頻率可控的數字鎖相放大器，不僅滿足了系統實時性的要求，簡化了系統結構，而且具有較好的準確度和穩定性。數字部分接口示意圖如圖2所示。
TMS320VC5502的片上定時器Timer0配置成輸出工作方式，產生頻率恆定的脈衝信號。此脈衝信號作為模／數轉換器採樣開始的控制信號。採樣頻率可由定時器產生脈衝的頻率來控制；多通道緩衝串口(Multichannel Buffered Serial Port，McBSP)被配置成SPI模式，用於控制命令的發送和採樣數據的接收。ADS8329的轉換結束信號作為DSP的外部中斷。採樣數據的接收和存儲、控制命令發送以及對ADC轉換結束的響應均採用DMA控制器來完成，這樣不但保證了採樣數據的完整性，而且DSP可以專注計算而不被外部事務頻繁中斷，極大地提高了DSP的運算效率。
為了保持採樣數據的連續性，並防止原有數據被新數據覆蓋，系統在DSP內部開闢了兩塊長為1024×16 b的緩衝區，用於暫時存放ADC的採樣數據。兩塊緩衝區交替存儲和計算，以保證系統的實時性。當ADC的轉換結果向緩衝區A存放時，系統處理緩衝區B中的數據；當轉換結果向緩衝區B存放時，系統處理緩衝區A中數據。其數據流圖如圖3所示。
假設系統的採樣率為fs，每塊緩衝區的長度為N(本系統為1 024×16 b)，處理每塊緩衝區數據所需的時間為TCAL。若三者滿足TCAL Nfs，則系統可以實現實時處理。測試證明，本系統最高採樣速率可達640 kHz。
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