基于虚拟仪器技术的锁相放大器设计

2014-03-06黄世瑜

四川职业技术学院学报 2014年4期

关键词：前面板锁相方波

黄世瑜

（四川职业技术学院，四川遂宁 629000）

基于虚拟仪器技术的锁相放大器设计

黄世瑜

（四川职业技术学院，四川遂宁 629000）

锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器，广泛的应用于科学研究、医疗卫生、国防科技、精细加工检测等领域.基于虚拟仪器技术的锁相放大器无疑使这种应用更为方便和高效.本文通过分析锁相放大器工作原理，测量信号与基准信号的互相关特性，利用虚拟仪器技术，基于LabVIEW软件系统，完成锁相放大器程序设计，实现将所需频率的微小信号锁定并进行测量的数字锁相放大器设计.

锁相放大器；虚拟仪器；信号噪声；相敏检波器

在弱信号信号检测与系统处理中，待检测信号往往深埋在噪声信号中，噪声信号分离是信号处理核心技术.锁相放大器(LIA)是一种对交变信号进行相敏检波的放大器.它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应.因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比.此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法.

SIGNAL RECOVER公司1962年发明的第一台锁相放大器，突破了弱信号检测过程中噪声信号滤除的技术难题，极大的推动了信号检测与信号调理技术的发展，随着电子信息工程技术的不断发展，锁相放大器的发展也经历了由早初的模拟电子系统、模数混合电子系统到现在广泛使用的数字系统实现的发展历程，弱信号检测与信号处理在多学科技术领域得到了广泛的应用.

在当前的锁相放大器工程应用中，一般均使用数字锁相放大器.在数字锁相放大器信号处理通道中，引入了数字滤波器、模数转换（ADC）、数模转换（DAC）等技术，有效的抑制了信号通道中的各类噪声信号，采用数字系统可以实现由计算机控制、监视和显示等辅助功能，为数字化、虚拟化等“硬件软化”技术的实现提供了有效的技术途径.

虚拟仪器(Virtual Instruments简称VI)是以计算机技术为核心，根据测量信号的需求，使用软件技术的方式来实现通用硬件设备信号测量功能.虚拟仪器典型的软件程序开发平台是LabVIEW，LabVIEW由美国国家仪器（NI）公司研发，是基于图形化的程序语言，又称为“G”语言.是一个面向最终用户的程序设计工具，使用这种语言编程时，采用流程图程序设计的方式，在程序的编写过程中基本上不写程序代码.使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率.

1 锁相放大器工作原理

典型的锁相放大器模型一般由信号通道、参考通道和相关器三部分组成，如图1所示.在信号的处理过程中，其核心部件为相关器，相关是指两个彼此独立的函数，当两个函数的乘积对时间求积分（平均）为零时，两个函数的关系称为相关函数.函数的相关性可分为自相关和互相关两种.在锁相放大器中主要目的是从噪声中取出微弱的有用信号，由于互相关检测抗干扰能力强，因此在锁相放大器中一般采用互相关检测原理.利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关实现对信号的选择性放大的目的.

相关器为相敏检波器，接收除被测信号外，还有一个基准信号.通常基准信号是和信号同步的对称方波或正弦波，用以驱动相关器的电子开关电路.相关器的作用是完成被测信号与参考信号两者互相关函数运算.从理论上讲用一个模拟乘法器和一个积分时间为无穷大的积分器，就可以把深埋在任意噪声中的微弱信号检测出来.

图1 典型锁相放大器框图

2 基于LabVIEW的锁相放大器的实现

根据参考信号源有方波和正弦波两种方式，本文以方波作为参考信号的锁相放大器.这种设计将参考信号设定为方波并输入相敏检波器(PSD)的参考端,所测信号作为它的另一个输入.

无干扰的标准正弦信号作为输入信号和不同相位的方波相乘后得到的波形（的波形）如图2所示.

图2 信号相乘所得波形

因为方波的傅里叶展开式中sin ［（2n +1 ）ωr］项的存在，以方波作为参考信号的设计会使系统对输入信号中ωr的奇次倍项谐波也发生响应，即系统对奇次谐波的抑制能力有一定限度.故使用方波为参考信号的系统尤其需要在信号通道中设置带通滤波器或高通、低通两个滤波器以及调谐放大器，以便对混杂在被测信号中的干扰和噪声先进行一定程度的抑制，加强整个锁相放大器对噪声和干扰的抑制能力.

根据上述原理可在LabVIEW下制作锁相放大器，共分为输入信号（包括微弱信号和噪声）及其滤波，参考信号（两路参考信号相位差固定，参考相位精密可调），数据处理和计算，测量值显示以及后级滤波等部分构成，通过调节参考信号的相位得到输出最大值，此时两信号相位相同，即可得出输入信号的相位.利用两路有固定相位差参考信号与输入信号的关系还可以直接测得所测信号的幅值并显示出来.

仪器前面板的设计尽量符合真实仪器的效果，有直接数值输入、转盘、垂直滑动杆开关、按钮等多种形式的输入控件，也有仪表盘、直接数值输出和波形图等多种显示方式，使得仪器的使用方式尽量直观，操作尽量方便.锁相放大器前面板如图3所示.

图3 锁相放大器前面板

仪器的程序框图使用了循环结构使其持续运行，直至按停止键或系统出错为止.整个程序自左至右依次实现的功能大致是：波形采集和处理（左下），参考信号发生（左上），数据运算和处理，显示输出.仪器的程序框图如图4所示：

输入信号（待测信号）由Express选板中的“仿真信号”获得，“仿真信号”控件可以产生已知频率、振幅和相位的正弦波等波形，并可以在波形上叠加各种强度可调的模拟噪声信号（如高斯白噪声，周期性随机噪声，二项分布噪声，泊松噪声等），以达到真实输入信号的效果.输入信号通过前面板左下角的“参考信号”部分进行调节，可改变其幅值、频率、相位和直流偏移（在原波形上叠加直流信号）.噪声的幅值和类型也可控制.

图4 锁相放大器程序框图

参考信号的获得也可选用外部参考，使外部参考信号通过数据采集卡采集到系统中来.此处系统采用的是内部的方波波形生成来得到参考信号，因为内部生成的参考信号参数比较稳定，参数的调节和控制方便，移相时直接改变生成信号的相位即可.参考信号的调节由前面板上的“参考信号”一栏完成，可调节方波的幅值，频率，相位，占空比等，其中参考信号的相位可精确调节（精确到0.1o），以获得被测信号的相位信息.采样信息包括每秒采样率（Fs）和每次采样波形的采样数，参考信号的采样信息应与对被测信号的采样向协调.

由于锁相放大器常用以检测微弱信号和处于较大噪声环境下甚至被噪声淹没的信号，前级应对信号上叠加的噪声做初步处理.系统中在前级对信号处理包括滤波和放大，滤波使用的是Labview提供的带通滤波器，可通过前面板的数值输入控件调节滤波的高截止频率和低截止频率，还可在程序框图中调节滤波器的类型和阶数.系统中使用的是7阶巴特沃兹滤波器.放大用来使输入的小信号与参考信号的幅值相当.

前面板的四个显示控件分别显示出输入信号的波形和频谱（功率谱）和信号经滤波放大后的波形和频谱.然而滤波器的引入使得测量信号幅值有一定程度的衰减，并且引进了一定的相位偏移，即使得通过滤波器后的信号相位与最初输入时不同，所以参考信号的相位只能表征相对的相位差，不代表输入信号的绝对相位.

3 锁相放大器测试

利用“模拟波形”对仪器进行了初步测试，让仪器测量被高斯白噪声淹没的0.1V正弦信号，获得了信号的幅值和测量量关于相位差变化的曲线，如图5所示.

图5 工作时的锁相放大器前面板

参考相位从0o到360o，每5o取样测得的测量值变化曲线.横轴为角度，纵轴为幅值.可见得到一条带有相位偏移的正弦曲线，与理论计算相符.若采用更长的平均次数，即更长的后级滤波时间系数，可以使数据的抖动起伏更小.被测信号相位偏移由前级的带通滤波电路造成，所以当调整输入信号和参考信号相位都为时0o两路信号相交汇时相对相位差并不是0o.