数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的应用研究

向 腊，李娟娟

（怀化学院，怀化 418000）

数字锁相放大器是一种以数字信号处理为基础的锁相放大器。按照数字化的程度，锁相放大器分为模拟锁相放大器，数模混合锁相放大器，数字锁相放大器。一般的锁相放大器主要有振荡器，混频器，滤波器组成。数字锁相放大器实现了混频器和滤波器的全数字化。随着数字信号处理技术的不断提高，数字锁相放大器逐渐取代传统的模拟锁相放大器。因为信号处理数字化，数字锁相放大器具有集成度高，配置方便，可在线升级等等特点，所以在微弱光电信号检测中应用数字锁相放大器，能够通过有效提高信号检测准确度及信号配置合理性，从而促进光电信号检测系统升级。

1 数字锁相放大器的结构及优势

1.1 结构

数字锁相放大器包括很多控制器、信号输入通道及信号检测仪器，具体有信号输入通道、参考输入通道、数字相敏检波器、数字低通滤波器、输出微处理器和微控制器等，因此与其他信号检测器相比，器信号检测准确度更高。

1.2 优势

第一，因为数字锁相放大器没有将直流的放大器放到输出通道中，所以不但避免了直流放大器不稳定性所造成的位移干扰，以及温度变化所造成的信号干扰等，提高了信号的输出效率；第二，能够有效减少信号副值及频率检测的误差，因为数字锁相放大器在温度计时间变化下，内部晶振时钟稳定性依然保持，减少了调制信号和参考信号号的不稳定因素，从而提高了检测的稳定性，使数字信号处理单元能够及时完成锁相功能，准确的检测出微弱光电信号的副值及频率；第三，采用数字锁相放大器的高性能的正交解调技术，能够使微弱信号检测精度能得到很大程度上的提高；第四，随着技术的发展，数字信号处理单元的性价比提高，使数字锁相放大器的性价比也得到相应的提高，数字锁相技术将会更深入地影响未来的测量技术。

2 数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的检测原理

2.1 自相关函数及自相关检测原理

自相关函数是指不同时间领域，使用同一个函数进行表达的方式，通常将随机信号设为f（t），

则f（t）的自相关函数表达式如下：

式中，T表示为积分时间，信号为f（t），当f（t）为周期信号时T为信号周期，当f（t）为单个脉冲有限长时间信号时T趋向于无穷大的，积分平均值趋向于0。

2.2 互相关函数及互相关检测原理

分别将两个不相关的函数设为f（t）和g（t），具体的相互相关函数表达式如下：

式中，假设信号x（t）被外界噪音干扰，形成复合信号f（t）和 g（t），则 ：

图1 互相关函数检测原理图

2.3 数字信号解调基本原理

微弱信号是通过放大电路进行放大后进行检测的，其原理是指通过放大电路将信息放大，以便于信号的传输到可检测的范围内，然后通过信号模拟来转换成数字信号，最后使用FPGA 芯片处理信号，进而实现信号调整，输入信号可设为Y（t），具体表达式为：

式中，X（t）表示为等待检测的信号；N（t）表示为随机的噪音信号。

3 数字锁相放大器仿真

3.1 信号设置参数

可以利用Matlab中的Simulink工具箱（一种信号检测软件），验证数字锁相放大器仿真模型，并检测出仿真模型的信号设置参数，具体参数见表1。

表1 信号设置参数

具体数字锁相放大器仿真验证结果显示，信号频率在90、副值在9时的相位为1，能够清晰的看见信号所在位置，证实了数字锁相放大器能够检测到弱信号。

3.2 信号检测电路原理

信号检测的步骤，通常情况下先检测调制光信号，然后依次检测电流信号、电压信号和数字信号，相关检测器具及电路包括光电探测器、前置IV转换电路、二级放大及抗混叠滤波电路和AD转换电路，具体检测原理过程见图2。

图2 检测电路原理示意图

从图2中不难看出调制光信号可以通过光电探测器输出、检测，并转换成电流信号，而电流信号则可以通过前置IV转换成电压型号，最终通过二级放大电路和A/D转换电路可以将电压信号转换成数字压信号。

3.3 硬件电路整体结构

硬件电路整体结构通常由一级放大电路、二级放大电路、抗混叠滤波电路、A/D 转换电路及 FPGA 数字解调系统组成，分别处于硬件实物的上中下三层，其中一级放大电路处于第一层；二级放大电路、抗混叠滤波电路、A/D 转换电路处于第二层；FPGA 数字解调系统组成处于第三层。整体硬件电路系统中所使用的电源为9V干电池，标准电压应控制在5V的标准上。

4 数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的应用验证

4.1 硬件放大电路测试

光电信号在进行测试时一般都需要先输入探测器，然后由探测器输出到一级信号放大器电路中，以同时进行电流信号放大和电流信号转换，而电流信号在放大的同时也放大了随信号输入的噪声，从而减小了信号的强度，所以在一级信号放大器线路进行信号输入时要特别注意噪音的去除，故需要提高信号放大器的去噪能力。具体测试如下：第一，将一级放点电路性能测试作为硬件放大电路测试的重点，并使用数字万用表进行测量；第二，对于测试的电流应选择标准-2pA电流，测试时还需要在铝盒中放置电路，已实现对外界信号的屏蔽；第三，通过对于很多微弱的光电信号要使用BNC接头信号线将其引出，然后进行信号副值及频率等参数检测；第三，控制好测试的次数及时间，通常测试的频率为10次/组，测试的时间为5s/次，组件测试的时间间隔为1小时，测试组数一共为10。

4.2 光电检测系统应用验证

4.2.1 在FPGA 数字信号解调系统中的应用验证

应用验证中所使用设备包括型号为ATF20B DDS的函数信号发生器、相位为8位的A/D转换器、FPGA最小系统和USB Blaster等。具体应用验证步骤如下：

第一，利用型号为ATF20B DDS的函数信号发生器，检测信号并将信号副值输出，检测应用结果显示信号副值为5Vpp，频率为1kHz，待测信号幅度为

100Vpp，信号类型为随机噪声信号，在信噪比为：

第二，将两个不同类型的信号叠加，并通过BNC信号将两种不同信号输入AD转换器，然后转换成8位数字信号量，最后对信号进行解调、叠加和过滤，得出副值为1.5V。第三，采集信号样本，并将样本信号通过USB Blaster输入上位机，然后使用SignalTapⅡ工具观察样本信号的波形图，最后通过数字解调系统检测信号幅值[8]。

4.2.2 光电检测系统整体测试

第一，检测过程中所使用的电流为标准光电信号1pA电流，检测所使用斩光器调制频率应控制在1kHz的标准上，并将需要检测的信号输入数字锁相放大器中等待检测；第二，使用数字锁相放大器中的光电检测系统检测信号，并将检测出来的数据与已经确定好的数据进行对比，以验证本研究设计的数字锁相放大器光电检测系统的检测效果。经验证结果显示本文设计的光电检测系统，其测试幅值误差在小于0.5%的范围内，频率测试误差小于0.2%的范围内，说明本文设计的数字锁相放大器应用于微弱光电信号检测中，具有显著的微弱光电信号检测效果，能够有效减小副值及频率的检测误差，从而提高检测准确度[9]。

5 结束语

总之，微弱信号检测在检测领域中占据重要地位，与其他检测方式相比，其检测准确度更高，相应的信号转换性能也比较强，因此能够检测出微弱信号。如今很多噪音的发生均将很大一部分的微弱信号完全湮没，导致这些微弱信号的提取难度非常高，所以要利用先进的现代化技术，去完善和创新微弱信息检测技术，并构建较为完整的微弱光电信号检测系统，以提高微弱信号检测水平。数字锁相放大器是近年来一种先进的信号检测仪器，已经在大信号检测领域得到了应用，并取得了良好信号检测结果，因此将之应用于微弱信号检测中，不仅能够提高微弱信号检测水平，还能够提高微弱信号检测的准确度。所以上文就数字锁相放大器的结构及优势，分析了数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的检测原理、数字锁相放大器仿真、数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的应用验证。

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