基于DSP技術實現數字鎖定放大器的設計和應用分析

1、引言

數字鎖定放大器相比模擬鎖定放大器具有穩定、精度高等特點，在頻率掃描中有明顯的優點?；赥DLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技術采用頻率調制技術向激光二極管注入正弦波電流進行頻率調制，用調制頻率的倍頻信號作為參考信號，用鎖定放大器鎖定所關心的二次諧波信號，采用DSP設計的鎖定放大器用于二次諧波檢測使測量系統有極高的靈敏度、精確的分辨率以和較高的動態響應速度。

2、數字鎖定放大器原理

由圖1即可運用DSP數字鎖定放大器的軟件設計，整個系統的軟件結構流程如圖2所示：

鎖定算法程序如下：

Void main（）

{

………。. //系統初始化，變量定義及初始化，略

//產生頻率為f Hz（此處為激光信號二次諧波頻率）的參考正弦和參考余弦。

RefWave（f）;

Sigfilt（）; //運用TI提供的濾波器庫濾除噪聲

Correlate（）; //相關運算

lpf（）;

AmpCalc（）;

PhaCalc（）;

………。 //后續處理：顯示輸出、反饋控制量等

}

其中生成參考信號和相關計算子程序如下：

void RefWave（f）

{

for（i=0; i《f; i++）

{

x = _IQ（PI*i/10）; //據本文公式（2）產生參考，N的值為20

sinx［i］ = _IQsin（x）; //采用Q格式運算，因為2812為定點DSP

cosx［i］ = _IQcos（x）;

}

}

void Correlate（）

{

for（i=0; i《n; i++） //n為積分時間的樣點數

{

//進行乘加運算，_IQtoIQ20的作用為防溢出

temp1 += _IQ20mpy（_IQtoIQ20（input［i］）， _IQtoIQ20（sinx［i］））;

temp2 += _IQ20mpy（_IQtoIQ20（input［i］）， _IQtoIQ20（cosx［i］））;

}

M = _IQ20（m）; //信號的M個采樣點

temp1 = _IQ20div（temp1， M）; //公式（3）

Rxrs = _IQ20toIQ（temp1）; //正弦互相關結果

temp2 = _IQ20div（temp2， M）;

Rxrc = _IQ20toIQ（temp2）; //余弦互相關結果

}

3、數字鎖定放大器在TDLAS測量系統中的應用

圖3是利用激光測量汽車廢氣濃度的系統框圖。

本系統采用TDLAS原理，對汽車排放尾中的二氧化碳濃度進行測量。TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）測量系統的激光光源由商用的可調諧激光二極管產生，采用的是基準波長為1583.69nm、輸出波長可調的NLK1556STG蝶形激光二極管，其輸出功率和波長由激光控制器LDC-3724B決定。輸出光束經過分光比例為50/50的分光器后變為兩束，一束直接進入到自平衡接收器，一束經瞄準器對準，穿過樣本氣室后由光纖接收進入到自平衡接收器，自平衡接收器采用NEW FOCUS公司的Model 2017，自平衡接收器的共模抑制比能達到50dB，可以消除兩路光束的噪聲，同時也可以降低對于鎖定放大器的動態范圍和線性程度的要求。自平衡接收器的輸出作為鎖定放大器的輸入，鎖放采用本文前面所述的數字設計方法，首先由ADC采樣自平衡接收器輸出的模擬信號，然后在TMS320F2812內部用鎖定核心算法，鎖定被測信號的二次諧波信號分量，最后依據Lambert-Beer定律計算測量結果并輸出。在對信號進行處理的同時利用DSP產生30KHz的正弦信號和50Hz的斜坡信號作為激光二極管的調制信號。

4、實驗結果

借助于TMS320F2812強大的數據處理能力，運用相關算法和濾波算法，數字鎖定放大器對于微弱信號的檢測能力相較于傳統的模擬鎖定放大器得到了極大的提高，其噪聲抑制能力Q值能達到106。本文設計的數字鎖定放大器應用在基于TDLAS二次諧波檢測氣體濃度系統中，其檢測精度能達到10ppb級。在應用于汽車尾氣測量系統時，能夠實時動態的對氣體濃度進行檢測并得到結果。運用DSP設計的數字鎖定放大器對于汽車尾氣檢測系統中微弱的激光信號，，對于汽車廢氣的動態排放規律研究新的控制策略有重要意義。

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