基于可编程逻辑器件实现便携式数字正交锁相放大器的应用方案.docx
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基于可编程逻辑器件实现便携式数字正交锁相放大器的应用方案.docx
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基于可编程逻辑器件实现便携式数字正交锁相放大器的应用方案
基于可编程逻辑器件实现便携式数字正交锁相放大器的应用方案
作者:
谢桂辉,郑旭初,赵天明,刘子绪,赵娟
引言
锁相放大器是一种用于测量动态信号的电子仪器,它的功能是从被噪声淹没的信号中测出某一频率的信号的相位和幅值。
利用参考信号与被测信号的互相关特性,提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。
相较于采用窄带滤波进行微弱信号检测,锁相放大器因采用相关检测技术,其Q值远高于模拟带通滤波器,且不存在中心频率不稳定的问题。
由于参考信号与待测信号具有相关性,而与噪声不具有相关性,使通过相敏检测提取的信号中仅包含待测信号的幅度和相位信息,因而在微弱信号的高精度测量领域具有极大的应用价值。
数字锁相放大器因其具有动态范围大、测量误差小、不受运放温漂和直流偏置影响的优势,近年来逐渐取代了模拟锁相放大器,但常见的数字锁相放大器价格昂贵且不便于携带,不易于在特殊环境使用。
针对上述问题,本文研制了一款低成本的、可测试幅度最低达100nV的便携式数字锁相放大器,适用于深海、野外等特殊环境的微弱信号检测。
1系统方案论证
1.1数字锁相放大器的原理论证
本款数字锁相放大器基于数字锁相环的原理,原理图如图1所示。
记待测信号为Ui(t),数字压控振荡器(DigitalControlOscillator,DCO)产生的一对正交信号分别为I路UoI(t)与Q路UoQ(t),如式
(1)所示。
1.2系统方案论证
本系统以FPGA为核心,主要由信号处理模块、A/D转换模块和数字锁相放大模块构成。
鉴于待测信号为纳伏级微弱信号,设计可变增益放大电路对待测信号进行放大,将待测信号处理为合适的幅度供ADC采样,由高速ADC采集后输入至FPGA测量,将测量得到的I/Q路数据通过串口通信传输到上位机,由上位机计算I/Q路数据,得到待测信号的实时频率和相位并进行显示。
系统框图如图3所示。
2系统硬件电路设计
2.1信号处理模块
信号处理模块负责对待测信号进行处理以便于ADC采样。
该模块由前级固定增益放大电路、中间级程控放大电路和末级工频滤波电路构成。
前级固定增益电路采用宽带低噪运算放大器OPA657。
该芯片的带宽增益积达1.6GHz,在90MHz以下具有0.1dB的增益平坦度,输入电压噪声4.8nV/
。
设计本级固定增益为60dB,允许输入信号频率最大值为100kHz、最大幅度为1μV,实际需求的带宽增益积为:
GBW=G×f=1000×100kHz=100MHz,芯片满足设计要求。
中间级程控放大电路采用数控增益仪表放大器AD8253。
该芯片的增益分为4档,可根据2位增益控制字调节,在增益为40dB时,-3dB带宽为550kHz,考虑到前级允许输入的信号最大频率为100kHz,故设计芯片增益倍数最高为40dB。
设计本级允许输出信号最大幅度为1V,所需压摆率为:
SR=2πfV=2π×0.1MHz×1V≈0.628V/μs,该芯片的压摆率为20V/μs,满足设计要求。
末级工频滤波电路采用低噪运算放大器NE5532。
该芯片的输入电压噪声小于5nV/
,压摆率为9V/μs,本级允许的输入信号最大频率为100kHz、最大幅度为1V,所需压摆率为0.628V/μs,满足系统对压摆率的要求。
为避免工频干扰,本级设计两级带阻滤波器电路,分别将50Hz与100Hz作为中心频率,更好地滤除工频噪声。
本模块设计的增益范围为60/80/100dB三档,输入电压噪声9nV/
,上述电路如图4~图6所示。
2.2模数转换模块
模数转换(以下简称A/D转换)模块负责将放大后的待测信号从模拟量转化为数字量,该模块由隔离电路、模数转换驱动电路(以下简称ADC驱动电路)和模数转换电路(以下简称ADC电路)构成。
隔离电路采用低噪运算放大器OP27。
考虑到将模拟量的待测信号不加缓冲的输入A/D转换模块,易引起数字信号对模拟信号的干扰,导致信号畸变,故设计该电路以隔离模拟信号与数字信号的影响。
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