太赫兹时域光谱仪中的锁相放大器研究

屈云飞（广东轻工职业技术学院 广东 广州 510300）

太赫兹时域光谱仪中的锁相放大器研究

屈云飞
（广东轻工职业技术学院 广东 广州 510300）

锁相放大器是太赫兹时域光谱仪中完成微弱信号检测的重要组成部分，本文基于对模拟放大器和数字放大器的比较与研究，设计了一种基于DSP的数字锁相放大器并应用于太赫兹时域光谱仪中。实验结果表明，与模拟锁相放大器相比，数字锁相放大器测得的时域太赫兹波形信噪比更高，且测量速度更快，更有利于实现系统的实时性。

DSP；锁相放大器；太赫兹；信噪比

1.引言

太赫兹时域光谱技术是20世纪80年代发展起来的一种有效光频测试技术，能够对生物的物质结构和成份进行无损、非接触式鉴定。太赫兹时域光谱仪通过测量出太赫兹脉冲透过样品或经样品反射的太赫兹时域波形，经过傅里叶变换得出样品的太赫兹波段吸收光谱，通过分析样品在太赫兹波段的特征光谱吸收峰，实现样品成分的非接触式鉴定。透射式太赫兹时域光谱仪的工作原理图如图1所示，待测样品放置于太赫兹发射探头和接收探头之间，接收探头检测到电压信号通常在uV量级的微弱信号，时域光谱仪需要对此微弱信号进行有效检测。

锁相放大器是微弱周期信号检测的一种有效手段，可分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器。太赫兹时域光谱仪，数字锁相放大器的应用使其信噪比更高、检测速度更快[1]。

图1 太赫兹时域光谱仪检测部分示意图

2.数字锁相放大器的基本原理

数字锁相放大器基于互相关检测原理，通过对待检测信号和同频率的参考信号进行互相关运算实现信号检测[3]，其原理框图如图2所示。

图2 数字锁相放大器的原理图

将待测信号定义为：

式中：A为待测信号的幅度；ω是待测信号的角频率；φ是待测信号的相位；n(t)是待测信号中混入的噪声(噪声强度可能远大于信号强度)。参考信号由两路相位差为90°的正弦信号构成。待测信号和两路固定相位差的参考信号相乘之后，对应的输出信号分别为：

将两路输出信号分别经过一个理想的低通滤波器后，信号中的高频部分和噪声成分都会被滤除，此时两路的输出信号分别为：

根据这两路输出信号的幅度就可以获得输入信号的幅度和相位：

即实现了待测信号的幅度A和初始相位ψ的检测[4][5]。

2.DSP锁相放大技术的实现

基于DSP的锁相放大技术中，DSP作为数据处理核心，主要完成数字锁定功能算法，包括：同频参考信号数字合成、数据采集、均值滤波、窄带滤波、数字互相关检波、低通滤波以及最终的相位和幅值计算等，如图3所示[6]。

图3 DSP数字锁放核心算法

DSP产生两路频率相同且正交的参考正弦信号锁定输入待测信号。产生振荡信号最常见的方法有正交迭代法和查表法。正交迭代法的产生信号的频率误差较大，且运算量过大，无法满足实时性要求，本文中设计通过查表法，利用存储于Flash中的前四分之一周期的正弦波的正弦值，共2048个点，来产生所需的两路参考正弦信号[7]。待测信号经过滤波处理后再与两路参考信号分别相乘，再通过相应低通滤波器，滤除高频成分和噪声成分，获得所需要的两路直流分量。低通滤波器的性能是整个锁相放大器算法设计的关键。它的性能好坏直接决定了数字锁相放大器的性能。为了满足系统的实时性要求，低通滤波器的运算要尽可能的高效[2][8]。

本文以TI公司的TMS320VC5502为核心，设计一种数字锁相放大器，不仅满足了太赫兹时域光谱仪实时性的要求，简化了系统结构，而且具有更高的信噪比和稳定性。数字部分接口示意图如图4所示。

图4 数字所放的接口示意图

A/D转换器采样开始的控制信号由TMS320VC5502的系统定时器给定，本文选择片内Timer0作为系统定时器并将其工作方式配置成输出模式，Timer0可产生频率恒定的脉冲信号，A/D转换器的采样频率由Timer0的脉冲频率来控制；多通道缓冲串口(Multichannel Buffered Serial Port，McBSP)被配置成SPI模式，可接受A/D转换器的采样数据，同时可发送控制命令。ADS8329转换完毕的信号触发TMS320VC5502的外部中断。

TMS320VC5502中控制命令发送、外部中断触发以及采样数据的接收和存储均利用DMA控制器来实现，这样在保证A/D采样数据完整性的前提下，使得DSP可完全用于数据计算而避免了被其他事务频繁打断，极大程度上提高了DSP的数据处理效率。

图5 DSP内部数据流示意图

如图5所示，为了保证A/D采样数据的完整性和系统实时性，同时为了规避原有数据被新数据覆盖的风险，本文在DSP内部开辟了两块缓冲区，用于交替存储A/D采样数据或输出数据，根据可能数据量的大小，将两个缓冲区长度均设定为16Kb。当A/D转换器的采样数据存入缓冲区A时，系统读出并处理缓冲区B中的数据；当A/D转换器的采样数据存入缓冲区B时，系统读出并处理缓冲区A中的数据[9][10]。

4.实验结果与分析

本文中分别选用模拟锁相放大器和基于DSP的数字锁相放大器应用于太赫兹波形信号的检测，并对测量结果进行分析对比。其中模拟锁相放大器选用德国Scitec Instruments公司的Model420双相型锁相放大器。该模块输入信号可为交流或直流信号，频率响应范围为10Hz到100kHz，且内部90°步进式调节及精细相位调节装置，输出时间常数范围为100us～30s。该模块放大倍率、工作频率和相移器参数均可由其上开关控制或数字输入控制，方便参数优化。

本文中模拟锁相放大器模块工作频率设定为10KHz，放大倍率优化选择为105倍，此时测得最大电压值＜10V，而相移器参数则优化设定为35°，该相位调整参数跟信号和参考信号的相位以及光路等因素相关。检测到太赫兹时域波形如图6所示，转换后的太赫兹频域波形如图7所示。

图6 模拟锁相放大器测得太赫兹时域波形

图7 模拟锁相放大器测得太赫兹波频域形

由图6可知，模拟锁相放大器测得太赫兹波形的信噪比为10log(2.95/0.6)≈7dB。同时，该模块一次积分时间是100ms左右，一个波形若测量800个点，那么测量一个完整的波形至少需要80s。

图8 数字锁相放大器测得太赫兹时域波形

图9 数字锁相放大器测得太赫兹频域波形

图8和图9所示为基于DSP的数字锁相放大器测得最佳太赫兹时域波形以及频域波形。测量一个波形所需时间为0.5s，信噪比为10log(7.8/0.5)≈12dB。

积分时间常数是锁相放大器系统的一个非常重要的因素。由随机信号的统计学规律可知：锁相放大器的时间常数越大，测得信号的噪声干扰更小且测得结果更贴近实际信号。模拟锁相放大器一般要先设计其时间常数，进而可确定低通滤波器的带宽，同时时间常数也决定了系统的高斯等效噪声带宽。在模拟锁相放大器中，实现较长积分时间常数很困难。因为较长积分时间常数意味着所放中RC滤波电路中的电容的容值很大，也即电容尺寸很大。而数字锁相放大器的时间常数是一个相应于模拟锁相放大器RC值的数字积分时间常数值，它与系统的RC值无关，是一个可以编程的数字量，且理论上数字锁相放大器的积分时间常数可为任意值。同时由锁相放大器理论可知：在信号信噪比较低的情况下，积分时间常数越大，系统的测得的输出信号信噪比会更高。但是在检测精度比较高的条件下，增加积分时间时系统测量的信噪比并不会有明显的改善，而此时系统的存储、运算等成本会大大增加。因此所选择的积分时间常数是否适当也影响着锁相放大器系统的整体性能[11]。

5.结论

通过实验对比发现，相较于模拟锁相放大器，基于DSP的数字锁相放大器具备更多的优势。数字锁相放大器的调制信号和参考信号来源于DSP内部晶振时钟信号，它随温度和时间的波动变化小，故而引入的参考信号误差更小；数字锁相放大器先将模拟信号转化为数字信号再进行相关运算，抗干扰能力更强，且输出级中没有直流放大器漂移的影响，动态范围大；数字锁相放大器的信号处理单元能在极短时间内完成锁相功能，实时性更好；数字锁相放大器的参数优化更容易实现，在硬件条件不变的情况下，通过优化软件算法也能更进一步地提高系统性能，有利于系统获得更高的信噪比。

[1]赵俊杰,郝育闻等.数字锁相放大器的实现研究[J].现代电子技术,2012,35(3):191-198.

[2]钱黎平.基于TMS320C6701EVM的嵌入式数字锁定放大器设计[J].长春:吉林大学,2005.

[3]曹家胜.基于DSP的数字锁定放大器及其应用[J].长春:吉林大学,2002.

[4]赵训威.TMS320C6200系列DSP芯片的应用与开发[M].北京:人民邮电出版社,2002.

[5]向英,吴先球.锁相放大器的软件实现与参数测量[J].计算机与现代化,2007,2:19-21.

[6]李凤鸣.基于DSP的数字锁相放大器的设计[J].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2011.

[7]高晋占.微弱信号检测[M].北京:清华大学出版社，2004.

[8]胡绍民，张广发.一种基于DSP和采样ADC的数字锁定放大器[J].数据采集与处理，2000，15(2):222-225.

[9]孙志斌，陈佳圭.锁相放大器的新进展[Z].物理，2006，35(10):35-45.

[10]李刚,张丽君等.一种新型数字锁相放大器的设计及其优化算法[N].天津大学学报,2008,41(4):18-25.

[11]胡绍民,张广发[J].数据采集与处理,2002,15(2):220-230.

The lock-in amplifier(LIA) is an important part of weak signal detection in complete THz time-domain spectroscopy, comparison and research on analog amplifier and digital amplifier, a digital LIA based on DSP is designed and used in terahertz time domain spectroscopy. The experimental results show that compared with analog LIA, digital LIA has higher signal to noise ratio(SNR) in time domain, and the measurement speed is faster, it shows the digital is more conducive to the real-time performance of the system.

DSP; LIA; THz; SNR

N33

A

1009-5624（2016）06-0175-04