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基于FPGA研制了一种用于微弱信号检测的便携式正交锁相放大器。先由信号处理模块接收待测信号并对其进行可变增益放大与工频噪声滤波,经过A/D转换模块转换后输入FPGA,通过数字锁相环完成对待测信号的相位锁定,提取反馈信号以计算待测信号幅度,实现微弱信号检测。该锁相放大器的幅度测量范围为100 nV~100 μV、动态范围达60 dB,相位精度达0.001°。该系统设计为便携式设备,成本低,易维护,可满足野外作业等特殊环境的测量要求,具有广阔的应用前景。
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基于基于FPGA的便携式正交锁相放大器研制的便携式正交锁相放大器研制
基于FPGA研制了一种用于微弱信号检测的便携式正交锁相放大器。先由信号处理模块接收待测信号并对其进行
可变增益放大与工频噪声滤波,经过A/D转换模块转换后输入FPGA,通过数字锁相环完成对待测信号的相位锁
定,提取反馈信号以计算待测信号幅度,实现微弱信号检测。该锁相放大器的幅度测量范围为100 nV~100
μV、动态范围达60 dB,相位精度达0.001°。该系统设计为便携式设备,成本低,易维护,可满足野外作业等特
殊环境的测量要求,具有广阔的应用前景。
0 引言引言
锁相放大器是一种用于测量动态信号的电子仪器,它的功能是从被噪声淹没的信号中测出某一频率的信号的相位和幅值。
利用参考信号与被测信号的互相关特性,提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。相较于采用窄带滤波进行微弱信号检
测,锁相放大器因采用相关检测技术,其Q值远高于模拟带通滤波器,且不存在中心频率不稳定的问题。由于参考信号与待测
信号具有相关性,而与噪声不具有相关性,使通过相敏检测提取的信号中仅包含待测信号的幅度和相位信息,因而在微弱信号
的高精度测量领域具有极大的应用价值
[1-2]
。
数字锁相放大器因其具有动态范围大、测量误差小、不受运放温漂和直流偏置影响的优势,近年来逐渐取代了模拟锁相放
大器,但常见的数字锁相放大器价格昂贵且不便于携带,不易于在特殊环境使用。
针对上述问题,本文研制了一款低成本的、可测试幅度最低达100 nV的便携式数字锁相放大器,适用于深海、野外等特殊
环境的微弱信号检测。
1 系统方案论证系统方案论证
1.1 数字锁相放大器的原理论证数字锁相放大器的原理论证
本款数字锁相放大器基于数字锁相环的原理,原理图如图1所示
[3-5]
。
记待测信号为U
i
(t),数字压控振荡器(Digital Control Oscillator,DCO)产生的一对正交信号分别为I路U
oI
(t)与Q路U
oQ
(t),如
式(1)所示。
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