基于DSP的数字锁相放大器在LAPS检测系统中的应用

李龙华,贾芸芳

（南开大学信息技术科学学院,天津300071）

基于DSP的数字锁相放大器在LAPS检测系统中的应用

李龙华,贾芸芳

（南开大学信息技术科学学院,天津300071）

介绍了基于锁相放大技术的LAPS检测系统的基本原理,为实现高精度的LAPS检测系统,利用DSP开发板和数、模器件设计了数字锁相放大器,将数字锁相放大算法在DSP内实现.实验分析表明：基于DSP的数字锁相放大器能够用于高精度的LAPS检测系统中.

LAPS；DSP；数字锁相放大器；检测系统

近年来,随着生物信息科学、微电子学以及半导体微细加工技术的不断发展与融合,光寻址电位传感器（Light-Addressable-Potential-Sensor,LAPS）作为一种新型的半导体生化传感器,具有显而易见的结构简单、易于封装、灵敏度高、稳定性好、多参数检测、使用寿命长等优点,已经广泛应用于化学、生命科学、环境监测、生物医学等领域,如：①利用激光脉冲沉积技术在LAPS表面沉积硫属化物玻璃层,实现对Pb2+等重金属离子的检测[1]；②将LAPS应用于检测细胞在新陈代谢过程中的变化,从而获得细胞信息[2]；③将LAPS扩展为气体传感器,用于测量空气中氧气的含量[3]；④将LAPS用于无标记免疫反应测试,通过无标记甲胎蛋白检测,实现对肝癌的早期诊断[4].因此如何对LAPS系统所产生的光电流（光电压）信号进行较为准确的测量就显得尤为重要,LAPS的检测技术得到了更为深入的研究.数字锁相放大器（Digital Lock-in Amplifier,DLIA）,是一种较为常用且有效的检测微弱交流信号的仪器设备,这种设备具有中心频率稳定,通频带窄,品质因数高等优点,拥有强大的信号提取能力,采用数字锁相放大技术可将被大量噪声信号淹没的微弱信号提取出来.

本文首先简述了基于锁相放大技术的LAPS信号检测基本原理,分析了几种不同的数字锁相放大算法,利用数字信号处理器（DSP）,给出了一种适用于LAPS检测系统的数字锁相放大器设计.借助DSP强大的数据处理能力,完成互相关算法及滤波算法,将微弱交变光电流或光电压信号从强噪声背景中精准地探测出来,并得到精密的度量.

1 基于锁相放大技术的LAPS检测原理

1.1 LAPS检测原理

LAPS以EIS（Electrolyte Insulator Semiconductor,电解质—绝缘层—半导体）结构为基础,基于场效应器件对绝缘层和电解质之间界面势变化的响应,将待测电解质的信息转换成电信号.LAPS检测系统由4个功能模块构成（见图1）,包括LAPS芯片、三电极测试体系、激发光源、信号检测与控制模块.其中LAPS芯片用于完成待测电解质信息的识别与信号的识别；三电极测试体系由LAPS的三个电极（参比电极RE、对电极CE和工作电极WE）和电化学工作站组成,用于对传感器的电流和电位信号的控制；激发光源模块由激光器和数字锁相放大器组成,用于提供频率可调的激发光源；信号检测与控制模块由电脑、电化学工作站以及数字锁相放大器组成,用于实现对传感器工作条件的控制以及对信号的检测.从图1可以看出,锁相放大器是LAPS检测系统中的关键功能模块,对数字锁相放大器的简单化、有效化以及普适化的研究有着重要意义.

图1 LAPS检测系统结构Fig.1 Sketchmap for LAPSdetection system

1.2 LAPS信号特征分析及DLIA基本原理

在LAPS检测系统中,激发光源调制频率的控制很重要,其中激发光源的脉冲输出是能够在通过锁相放大技术检测到持续不断的交变光电流信号的保证.通过数字锁相放大器给待测系统一个激励信号,激励信号的频率范围为500Hz到5 000 Hz.由于LAPS检测系统的作用,如传感器本身,外界环境,电路之间相互影响等,输出的被测信号被大量噪声淹没,噪声在很宽的频率范围内近似平坦分布.而有用信号的幅值范围通过信号处理电路放大到mA（mV）级.为了较为准确地获取待测系统的信息,通过数字锁相放大器从噪声中提取出有用信号,对有用信号的测量精度应在5%以内.

微弱信号的提取检测方法是围绕速度和精度两个方面发展的,DLIA是通过被测信号与参考信号进行互相关运算的一种电子设备,在这两方面都能达到较高的要求.锁相放大技术的理论基础是互相关检测,通过被测信号与参考信号互相关运算实现对信号的窄带化处理,很好地抑制噪声,从而提取出有用信号的幅度和初相位信息.

2 LAPS测试系统中数字锁相放大器的DSP设计

根据LAPS检测系统的要求以及实际具备的条件,设计一个由电脑和TMS320VC5509A开发板组成的主从机系统来实现DLIA,主要由3部分构成：外部信号处理电路、DSP开发板以及主机.在被测信号进行AD采样前,需要对被测信号进行处理,主要对微弱的被测信号差分放大、程控放大,抗混叠滤波、预滤波可提高输入信号的信噪比,交流放大使信号在进入PSD时有适合的幅值范围.经过信号输入通道处理后将被测信号进行采样,进行相关运算.TMS320VC5509A是一款高性能低功耗的定点数字信号处理器,它不仅具有高速的运算能力,而且具有丰富的外围电路接口.在DLIA设计中,DSP开发板不仅进行数字锁相运算,还要与外部处理电路进行联系,同时还要与主机进行通讯,因此在数字DLIA设计中DSP起着至关重要的作用.主机主要进行参数的设定,加载DSP程序,控制DSP的运行,与DSP进行通讯,同时用于处理、存储和显示DSP传送的数据结果.

2.1 数字锁相放大算法分析选择

DSP的软件设计是该数字锁相放大器的重点.首先是对算法的分析与选择,实际中使用相敏检波器（Phase Sensitive Detector,PSD）近似实现互相关检测,因此PSD是DLIA的核心器件.采用数字化方法实现的相敏检波称为数字相敏检波,目前已经有很多数字相敏检波算法,早期的算法如Momo提出的反向采样法[5],Saniie提出的正交采样法[6].在早期的数字相敏检波算法研究中,由于数字相乘运算比较困难,多是通过加减计数或是累加平均来实现数字锁相检测,这些方法虽然容易实现,并且满足了特定的实验需求,但是一般只适用于低频信号,且不能很好地抑制谐波.近年来,大部分数字相敏检波算法是通过ADC将模拟信号转换数字信号,通过数字互相关来实现相敏检测,其中不仅涉及到累加平均运算,还涉及大量的乘运算,这样的方法具有很强的谐波抑制能力和较宽的工作频率范围.如分段累加法[7],快速数字锁相算法[8],一个基本的数字相敏检波器是由一个数字乘法器和数字低通滤波器组成的.本文经过对各种算法的分析,选择经典的数字锁相算法,即数字相关解调算法.将被测信号通过模数转换器采样,然后在微处理器中实现相乘及低通滤波.将被测信号序列与参考正余弦序列分别相乘,然后通过数字低通滤波器取出直流分量.对于DLIA中的低通滤波器,很多学者进行了深入研究[9-10],最常采用的低通滤波器是M点平均滤波器[11].通过以上分析,完成对数字锁相放大算法的选择.

2.2 DSP软件设计

在DLIA中直接使用TMS320VC5509A开发板,省去了DSP硬件电路设计,对DSP的软件编程更容易.DSP程序通过集成开发环境CCS调试并通过电脑加载,可以更方便地修改调整DSP程序,增加了系统的灵活性.其中数字锁相放大算法程序如下：

Voidmain（）

{

.......//系统初始化,变量定义

Refwave（f）；//参考正余弦序列

Correlate（）；//互相关运算

Lpf（）；//M均值低通滤波器

AmpCal（）；//幅值计算

PhaCal（）；//初相位计算

...........//后续处理

｝

数字锁相放大算法的流程图如图2所示.

图2 数字锁相放大算法程序流程Fig.2 Flow chartofdigital lock-in amplifier’salgorithmic program

3 结果与讨论

借助DSP强大的运算能力,完成数字锁相放大算法,对该算法进行一系列测试,从而完成对所需参数的选择.用信号源产生1 kHz的正弦信号,幅值为0.001 V,叠加均值为0,方差为0.001的随机噪声,即输入信噪比为-33 dB,设为经外部处理电路处理过的被测信号,时域和频域信号分别如图3、图4所示.

图3 被噪声淹没的正弦时域信号Fig.3 Sine signal in time domain submerged by noise

图4 被噪声淹没的正弦频谱信号Fig.4 Sine signal in frequency domain submerged by noise

在不同时延的情况下将被测信号与参考信号进行相关运算,相关运算后的输出信号频谱,如图5所示,输出信号幅值如图6所示.

图5 相关运算后输出信号的频谱Fig.5 Frequency spectrum ofoutputsignalafterbeing treated with correlation algorithm

图6 相关运算后输出信号的幅值Fig.6 Amplitude ofoutputsignalafterbeing treated with correlation algorithm

对被测信号进行AD采样,根据奈奎斯特采样定理,采样频率应大于被测信号频率的2倍.本文设置不同的被测信号的整数倍作为采样频率（4 kHz,8 kHz,10 kHz,16 kHz,20 kHz）,同时为了保证整周期采样,数据长度选择320,观察输出信号的幅值.表1分析输出信号的均值及输出信噪比,图7不同采样频率时各个时延下计算输出信号幅值,选择最佳采样频率为16 kHz.

表1 不同采样频率下输出信号的幅值均值以及输出信噪比Tab.1 Averageamplitudeand signal-noise ratioofoutputsignal in differentsampling frequency

图7 不同采样频率下相关运算后输出信号的幅值Fig.7 Amplitude ofoutputsignal treated by correlation algorithm with differentsampling frequency

选定采样频率后,对采样点数进行分析（见表2）,可发现随着数据长度的增加,输出信噪比越大,数字锁相放大的性能越好,但数据长度的增加使得积分时间变长,从而在精确性与实时性上存在着矛盾,只能在两者之间进行折中,取得实验想要达到的效果.

表2 不同采样数据长度下输出信号的幅值均值以及输出信噪比Tab.2 Averageamplitudeand signal-noise ratioofoutputsignal in different length of the sampling data

对该算法进行输入信噪比范围的分析,测量精度要在5%以内,由图8可以看出,对输入信噪比大于-40 dB的微弱信号检测效果较好.因此在信号处理电路部分应将输入信噪比提高到-40 dB以内.

图8 输入信噪比不同时相关运算后输出信号的幅值Fig.8 Amplitude ofoutputsignal treated by correlation algorithm with differentsignal-noise ratio

4 结论

本文对LAPS检测原理以及数字锁相放大器的DSP开发板软件设计进行了较为详细地阐述,借助DSP开发板设计的适用于LAPS检测系统中的数字锁相放大器,能更加准确地检测出LAPS系统的输出信号,并且得到很高的输出信噪比.LAPS信号的准确测量推动了LAPS的不断发展,无论是对LAPS还是数字锁相放大器的研究,都具有十分重要的意义.

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（责任编辑：卢奇）

App lication of DSP-based digital lock-in am plifier on LAPS detection system

Li Longhua,Jia Yunfang
（Collegeof Information Technological Science,NankaiUniversity,Tianjin 300071,China）

The basic principle of LAPS detection system based on lock-in amplifying technology is introduced．In order to achieve high-precision LAPS detection system,digital lock-in amplifier is designed which includes DSP development board,digital devices and analog devices．The digital lock-in algorithm is implemented on the DSP chip．The experiment results show that DSP-based digital lock-in amplifier can be used for high-precision LAPS detection system．

LAPS；DSP；digital lock-in amplifier；detection system

TN722

A

1008-7516（2013）03-0095-06

10．3969/j．issn．1008-7516．2013．03．020

2013-05-11

国家自然科学基金（60602002）；天津市自然科学基金重点项目（12JCZDJC22400）

李龙华（1988-）,女,山东泰安人,硕士研究生．主要从事传感器及其检测系统研究．

贾芸芳（1974-）,女,天津市人,博士,教授．主要从事传感器及其检测系统研究．