应用于微弱光电信号检测的数字锁相放大器设计
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摘 要
锁相放大技术属于微弱信号检测科学研究领域的一个重要分支，它是检测微
弱信号的重要有效方法之一。锁相放大器的研制虽然不是一个全新的研究领域，
但随着 DSP、FPGA、ASIC、SoC 等电子信息新技术和虚拟仪器等计算机软件水平的
发展，新的数字锁相放大器（DLIA）必将成为十分活跃的发展领域，同时，整个
锁相放大器研究领域也正孕育着新的原理和方法的突破。
现有数字锁相放大器一般采用基于 DSP 或者 PC 机系统来实现的，其数字相关
运算实质上都是属于软件算法，且算法比较复杂，对微处理器的速度要求很高。
为此，本课题提出了基于新型数字相关电路结构的数字锁相放大器设计的一种新
方法，给出了一种新的锁相检测电路结构设计，将锁相放大器的检测原理与电压/
频率转换（V/F）的优点相结合，实现了真正意义上由硬件电路来完成数字相关运
算。本课题制作了实验电路板，理论分析与实验表明：该新型数字相关电路实现
的数字相关运算对微处理器的性能要求相当低，系统测量响应时间快、抗干扰能
力强。
同时为了将该数字锁相放大器最终应用到微弱光信号的测量，还研究了有效
检测淹没在强噪声背景中的微弱方波信号的矢量测量原理，采用了相关检测和数
字信号处理技术相结合的方法，推演得到了方波信号的正交互相关的完整数学解，
在此基础上，实验仿真验证了利用数字锁相放大器实现对方波信号的矢量测量。
仿真结果证明，该数字相关算法简单有效，实现方式灵活。
最后，还对该锁相放大器在微弱光信号的检测领域进行了应用研究，课题组
搭建了检测光纤衰减损耗等多参数的光路检测系统平台，测试表明，能够实现 nA
级微弱光电流的测量。
关键词： 锁相放大器 数字相关电路 方波信号
微弱信号检测 电压/频率转换 光纤衰减
ABSTRACT
Lock-in amplifying(LIA) belongs to weak signal detection discipline，It is one of
important and effective means for detecting weak signals ．Though development of
lock-in amplifier is not an entirely new field of study，new digital lock-in amplifier
(DLIA) will become a very active area of development，with the development both on
DSP\FPGA\ASIC\SoC and other electronic information technologies and virtual
instrumentation level of computer software. Meanwhile，study on lock-in amplifier is also
pregnant with new breakthrough of principles and methods．
The current methods of design on digital lock - in amplifier (LIA) is based on
DSP or personal computer system ，on which digital correlated operations are
essentially software algorithms，in addition，the algorithmic is complicated and the
high-speed of the microprocessor is demanded ．In this paper，a new type of LIA
detecting circuit structure is presented，which combines the detecting principle of LIA
and advantages of voltage-to-frequency converting (V/F)．According to this method，
the computing of digital correlation is implemented by the way of hardware ．It’s
theoretically analyzed and proved through experiment that this circuit structure is good
in measuring response time and anti-interference ability．
At the same time，the lock-in amplifier is finally applied to the detecting of weak
optical signal，so a study is made on the vector measuring of weak square wave signal
in strong noise ．In this paper ，it is presented the mathematical expressions of
orthogonal correlation about square wave signal that is based on correlation detection
and digital signal processing theory．Furthermore，an experiment of simulation is
made，which is to measure vector of weak square wave signal．The obtaining test data
proved the correlation algorithm is simple and effective and the methods of
implementation are flexible．
This paper also introduced the application of lock-in amplifier in optical
attenuation test，which is a low level optical signals．After used the lock-in amplifier，
the system can detect nA level photocurrent signal．
Key words：lock-in amplifier，digital correlation circuit，square wave
signal ，voltage-to-frequency converting ，weak signal
detection，optical attenuation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................... 1
§1.1 课题的来源及意义 ........................................... 1
§1.2 国内外锁相放大器的研制现状及分析 ........................... 2
§1.3 本课题研究的主要内容 ....................................... 4
§1.4 主要关键技术 ............................................... 5
第二章 微弱信号检测技术 ............................................. 6
§2.1 噪声的一般特性 .............................................. 6
§2.2 微弱信号检测技术的原理及方法 ................................ 6
§2.2.1 微弱信号检测的基本理论 ................................ 7
§2.2.2 微弱信号检测的方法 .................................... 7
第三章 基于新型数字相关电路结构的锁相放大器总体方案设计 ............ 11
§3.1 锁相放大器简介 ............................................ 11
§3.1.1 锁相放大器基本原理与应用 ............................. 11
§3.1.2 正交矢量型锁相放大器 ................................. 12
§3.2 新型数字锁相检测电路结构设计 .............................. 14
§3.2.1 数字锁相放大器的特点 ................................. 14
§3.2.2 本课题设计的新型数字相关电路结构 ..................... 14
第四章 微弱方波信号的矢量测量 ...................................... 17
§4.1 正交互相关方波信号矢量测量的数学描述 ...................... 17
§4.2 利用数字正交矢量型锁相放大器测量微弱方波信号的工作原理 .... 21
§4.3 Matlab 仿真实验及分析 ...................................... 22
§4.4 本章小结 .................................................. 24
第五章 数字锁相放大器硬件设计 ...................................... 26
§5.1 系统硬件结构 .............................................. 26
§5.2 电压/频率转换电路的设计 ................................... 27
§5.3 新型数字相关电路结构设计 .................................. 28
§5.4 移相电路 .................................................. 31
§5.5 主控电路和数据采集处理 .................................... 33
第六章 系统软件设计 ................................................ 35
§6.1 主程序设计 ................................................ 35
§6.2 串口通信程序设计 .......................................... 38
§6.2.1 单片机串行口的初始化及串行通信协议 ................... 38
§6.2.2 上位机软件运作流程 ................................... 39
第七章 DLIA 系统性能测试与应用 ......................................43
§7.1 系统性能测试 .............................................. 43
§7.2 系统误差分析 .............................................. 46
§7.3 微弱光信号检测电路设计 .................................... 47
§7.3.1 微弱光信号检测电路的基本原理 ......................... 47
§7.3.2 应用于本课题的光电转换与前置放大电路设计 ............. 49
§7.4 系统在对光纤衰减测量中的应用 .............................. 50
§7.4.1 光纤衰减损耗测量原理 ................................. 50
§7.4.2 本课题设计的光纤衰减测试系统 ......................... 52
第八章 总结与展望 .................................................. 55
§8.1 主要创新点 ................................................ 55
§8.2 不足与改进方向 ............................................ 56
§8.3 展望未来锁相放大器的发展方向 .............................. 57
附 录 .............................................................. 58
参考文献 ............................................................ 61
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 64
致 谢 .............................................................. 65
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的来源及意义
课题来源：
上海理工大学与上海电缆研究所合作项目。
研究意义：
锁相放大技术属于微弱信号检测科学研究领域的一个重要分支，它是检测微
弱信号的重要手段。目前在许多研究和应用领域中，都涉及微弱信号的精密测量。
然而对于任何一个系统，必然存在噪声，当测量的信号又十分微弱时，如何把淹
没于强噪声背景中的有用信号提取出来便成为人们科学研究关注的焦点。
微弱信号检测的基本方法有同步积累法、相关接收法和匹配滤波法。目前，
微弱信号检测仪器，极大部分都是在上述的这些方法指导下设计与研制的[1]。
微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就需要采用电子学、信息论、
计算机和物理的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号[2]，从而满足现代科
学研究和技术开发的需要。
锁相放大器是微弱信号检测的有效手段，它采用的是相关检测的方法，能够
测量到输入信噪比低达 10-5 的微弱信号。由于它可以测量到传统观念中认为不能测
量到的微弱量，因此微弱信号检测技术是测量技术中的综合技术和尖端领域，它
可以应用到很多微弱量的测量（如微弱光，小位移，微震动、弱磁场等）。随着
当今科学技术的不断进步，对测量技术提出了更高的要求，尤其是一些极端条件
下对微弱量的检测，无疑是当今科学技术的前沿课题。测试技术的发展，始终是
围绕着两个问题逐渐解决和提高的，即所谓速度和精度。锁相放大器作为微弱信
号精确测量的一种重要手段，无论在速度还是精度这两方面具备较大优势。
虽然有关锁相放大器的研究文献并不少，但报道最多的是针对正弦信号的检
测，有采用乘法解调法实现的模拟锁相放大器和采用数字解调法实现的数字锁相
放大器，或者为简化电路和降低运算速度要求而采用两者相结合的方法研制的新
型锁相放大器。此外，也有文献专门报道了在窄脉冲信号中的测量。但对于微弱
方波信号的相关检测的专题论文却不多见，即使提到了，也没有给出关于方波信
号的正交矢量型相关检测的完整数学表达式以及数字相关实现方法，而对方波信
号的检测在微弱光信号检测等领域又有着重要的应用价值。
与此同时，国内生产的锁相放大器在实际应用中还存在一些问题。例如，目
前上海电缆研究所在使用南京生产的锁相放大器的过程在中发现测量响应时间过
应用于微弱光电信号检测的数字锁相放大器设计
2
长（约为 4～5 秒），且测量过程中容易发生信号不平稳等问题；而采购的美国产
锁相放大器性能指标虽然能够达到该所的使用要求，但价格昂贵，导致整套设备
的成本上升，不适合于降低批量生产成本。因此，本课题的主要任务将是研究微
弱方波信号的相关检测理论和实现方法，并在应用于检测微弱光信号系统中得到
实践证明。
§1.2 国内外锁相放大器的研制现状及分析
锁相放大器根据其相敏检波器的实现方式不同，可以分为模拟锁相放大器和
数字锁相放大器。前者采用模拟器件实现相关运算；后者增加了模数转换，将被
测信号转换成数字信号，然后采用软件实现相关运算。
早期的锁相放大器都是由模拟电路实现的，随着数字技术的发展，出现了模
拟与数字信号混合的锁相放大器，但这种锁相放大器只是在信号输入通道，参考
信号通道和输出通道采用了数字滤波器来抑制噪声，或者在模拟锁相放大器的基
础上多了一些模数转换（A/D）、数模转换（D/A）和各种通用数字接口功能，可以
实现由计算机控制的监视和显示等辅助功能，但其核心相敏检波器（PSD）仍然采
用模拟电子技术实现的，本质上也是模拟锁相放大器，直到相敏检波器用数字信
号处理的方式实现后，就出现了数字锁相放大器，数字锁相放大器比模拟锁相放
大器有许多突出的有点而倍受关注，成为人们研究检测微弱信号的热点。
自 1962 年美国 PARC 第一台相干检测的锁相放大器问世以来，随着科技的进
步以及微弱信号测量在许多领域的广泛应用，到目前为止，已经有众多国内外科
技工作者投入到研发锁相放大器中来，其中比较典型的代表有：
（1）2002 年，Adrian A. Dorrington 等人在深入研究了传统的数字式锁相放
大器的原理后，针对于微弱光学信号测量系统设计了一种小规模且结构简单的锁
相放大器[3]，系统中使用的高精度模数转换器与处理器接口，最后由处理器完成相
关算法。
（2）美国的 Andrew 等人在深入分析了生物阻抗测量的特点后，自行设计了一
种小型 LIA，同时将其与 Stanford Research 公司的 SR830 进行比较，得出重要结
论，即在不同的测量场合，通用 LIA 不一定是最好的选择[4]。
（3）天津大学精仪学院的林凌等设计了一种新型锁相放大器检测电路，将传
统锁相放大器的优点与∑一△型 A／DC 的过采样和积分特性结合起来。并对该电
路作了理论分析，通过实验证明了该电路比现有锁相放大器具有更好的性能，能
实现与微处理器无“缝”数据采集和传输[5]。
摘要：
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摘要锁相放大技术属于微弱信号检测科学研究领域的一个重要分支，它是检测微弱信号的重要有效方法之一。锁相放大器的研制虽然不是一个全新的研究领域，但随着DSP、FPGA、ASIC、SoC等电子信息新技术和虚拟仪器等计算机软件水平的发展，新的数字锁相放大器（DLIA）必将成为十分活跃的发展领域，同时，整个锁相放大器研究领域也正孕育着新的原理和方法的突破。现有数字锁相放大器一般采用基于DSP或者PC机系统来实现的，其数字相关运算实质上都是属于软件算法，且算法比较复杂，对微处理器的速度要求很高。为此，本课题提出了基于新型数字相关电路结构的数字锁相放大器设计的一种新方法，给出了一种新的锁相检测电路结构设计，...
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作者：陈辉
分类：高等教育资料
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时间：2024-11-19
