太赫茲時域光譜儀中的鎖相放大器研究

屈云飛（廣東輕工職業技術學院 廣東 廣州 510300）

太赫茲時域光譜儀中的鎖相放大器研究

屈云飛
（廣東輕工職業技術學院 廣東 廣州 510300）

鎖相放大器是太赫茲時域光譜儀中完成微弱信號檢測的重要組成部分，本文基于對模擬放大器和數字放大器的比較與研究，設計了一種基于DSP的數字鎖相放大器并應用于太赫茲時域光譜儀中。實驗結果表明，與模擬鎖相放大器相比，數字鎖相放大器測得的時域太赫茲波形信噪比更高，且測量速度更快，更有利于實現系統的實時性。

DSP；鎖相放大器；太赫茲；信噪比

1.引言

太赫茲時域光譜技術是20世紀80年代發展起來的一種有效光頻測試技術，能夠對生物的物質結構和成份進行無損、非接觸式鑒定。太赫茲時域光譜儀通過測量出太赫茲脈沖透過樣品或經樣品反射的太赫茲時域波形，經過傅里葉變換得出樣品的太赫茲波段吸收光譜，通過分析樣品在太赫茲波段的特征光譜吸收峰，實現樣品成分的非接觸式鑒定。透射式太赫茲時域光譜儀的工作原理圖如圖1所示，待測樣品放置于太赫茲發射探頭和接收探頭之間，接收探頭檢測到電壓信號通常在uV量級的微弱信號，時域光譜儀需要對此微弱信號進行有效檢測。

鎖相放大器是微弱周期信號檢測的一種有效手段，可分為模擬鎖相放大器和數字鎖相放大器。太赫茲時域光譜儀，數字鎖相放大器的應用使其信噪比更高、檢測速度更快[1]。

圖1 太赫茲時域光譜儀檢測部分示意圖

2.數字鎖相放大器的基本原理

數字鎖相放大器基于互相關檢測原理，通過對待檢測信號和同頻率的參考信號進行互相關運算實現信號檢測[3]，其原理框圖如圖2所示。

圖2 數字鎖相放大器的原理圖

將待測信號定義為：

式中：A為待測信號的幅度；ω是待測信號的角頻率；φ是待測信號的相位；n(t)是待測信號中混入的噪聲(噪聲強度可能遠大于信號強度)。參考信號由兩路相位差為90°的正弦信號構成。待測信號和兩路固定相位差的參考信號相乘之后，對應的輸出信號分別為：

將兩路輸出信號分別經過一個理想的低通濾波器后，信號中的高頻部分和噪聲成分都會被濾除，此時兩路的輸出信號分別為：

根據這兩路輸出信號的幅度就可以獲得輸入信號的幅度和相位：

即實現了待測信號的幅度A和初始相位ψ的檢測[4][5]。

2.DSP鎖相放大技術的實現

基于DSP的鎖相放大技術中，DSP作為數據處理核心，主要完成數字鎖定功能算法，包括：同頻參考信號數字合成、數據采集、均值濾波、窄帶濾波、數字互相關檢波、低通濾波以及最終的相位和幅值計算等，如圖3所示[6]。

圖3 DSP數字鎖放核心算法

DSP產生兩路頻率相同且正交的參考正弦信號鎖定輸入待測信號。產生振蕩信號最常見的方法有正交迭代法和查表法。正交迭代法的產生信號的頻率誤差較大，且運算量過大，無法滿足實時性要求，本文中設計通過查表法，利用存儲于Flash中的前四分之一周期的正弦波的正弦值，共2048個點，來產生所需的兩路參考正弦信號[7]。待測信號經過濾波處理后再與兩路參考信號分別相乘，再通過相應低通濾波器，濾除高頻成分和噪聲成分，獲得所需要的兩路直流分量。低通濾波器的性能是整個鎖相放大器算法設計的關鍵。它的性能好壞直接決定了數字鎖相放大器的性能。為了滿足系統的實時性要求，低通濾波器的運算要盡可能的高效[2][8]。

本文以TI公司的TMS320VC5502為核心，設計一種數字鎖相放大器，不僅滿足了太赫茲時域光譜儀實時性的要求，簡化了系統結構，而且具有更高的信噪比和穩定性。數字部分接口示意圖如圖4所示。

圖4 數字所放的接口示意圖

A/D轉換器采樣開始的控制信號由TMS320VC5502的系統定時器給定，本文選擇片內Timer0作為系統定時器并將其工作方式配置成輸出模式，Timer0可產生頻率恒定的脈沖信號，A/D轉換器的采樣頻率由Timer0的脈沖頻率來控制；多通道緩沖串口(Multichannel Buffered Serial Port，McBSP)被配置成SPI模式，可接受A/D轉換器的采樣數據，同時可發送控制命令。ADS8329轉換完畢的信號觸發TMS320VC5502的外部中斷。

TMS320VC5502中控制命令發送、外部中斷觸發以及采樣數據的接收和存儲均利用DMA控制器來實現，這樣在保證A/D采樣數據完整性的前提下，使得DSP可完全用于數據計算而避免了被其他事務頻繁打斷，極大程度上提高了DSP的數據處理效率。

圖5 DSP內部數據流示意圖

如圖5所示，為了保證A/D采樣數據的完整性和系統實時性，同時為了規避原有數據被新數據覆蓋的風險，本文在DSP內部開辟了兩塊緩沖區，用于交替存儲A/D采樣數據或輸出數據，根據可能數據量的大小，將兩個緩沖區長度均設定為16Kb。當A/D轉換器的采樣數據存入緩沖區A時，系統讀出并處理緩沖區B中的數據；當A/D轉換器的采樣數據存入緩沖區B時，系統讀出并處理緩沖區A中的數據[9][10]。

4.實驗結果與分析

本文中分別選用模擬鎖相放大器和基于DSP的數字鎖相放大器應用于太赫茲波形信號的檢測，并對測量結果進行分析對比。其中模擬鎖相放大器選用德國Scitec Instruments公司的Model420雙相型鎖相放大器。該模塊輸入信號可為交流或直流信號，頻率響應范圍為10Hz到100kHz，且內部90°步進式調節及精細相位調節裝置，輸出時間常數范圍為100us～30s。該模塊放大倍率、工作頻率和相移器參數均可由其上開關控制或數字輸入控制，方便參數優化。

本文中模擬鎖相放大器模塊工作頻率設定為10KHz，放大倍率優化選擇為105倍，此時測得最大電壓值＜10V，而相移器參數則優化設定為35°，該相位調整參數跟信號和參考信號的相位以及光路等因素相關。檢測到太赫茲時域波形如圖6所示，轉換后的太赫茲頻域波形如圖7所示。

圖6 模擬鎖相放大器測得太赫茲時域波形

圖7 模擬鎖相放大器測得太赫茲波頻域形

由圖6可知，模擬鎖相放大器測得太赫茲波形的信噪比為10log(2.95/0.6)≈7dB。同時，該模塊一次積分時間是100ms左右，一個波形若測量800個點，那么測量一個完整的波形至少需要80s。

圖8 數字鎖相放大器測得太赫茲時域波形

圖9 數字鎖相放大器測得太赫茲頻域波形

圖8和圖9所示為基于DSP的數字鎖相放大器測得最佳太赫茲時域波形以及頻域波形。測量一個波形所需時間為0.5s，信噪比為10log(7.8/0.5)≈12dB。

積分時間常數是鎖相放大器系統的一個非常重要的因素。由隨機信號的統計學規律可知：鎖相放大器的時間常數越大，測得信號的噪聲干擾更小且測得結果更貼近實際信號。模擬鎖相放大器一般要先設計其時間常數，進而可確定低通濾波器的帶寬，同時時間常數也決定了系統的高斯等效噪聲帶寬。在模擬鎖相放大器中，實現較長積分時間常數很困難。因為較長積分時間常數意味著所放中RC濾波電路中的電容的容值很大，也即電容尺寸很大。而數字鎖相放大器的時間常數是一個相應于模擬鎖相放大器RC值的數字積分時間常數值，它與系統的RC值無關，是一個可以編程的數字量，且理論上數字鎖相放大器的積分時間常數可為任意值。同時由鎖相放大器理論可知：在信號信噪比較低的情況下，積分時間常數越大，系統的測得的輸出信號信噪比會更高。但是在檢測精度比較高的條件下，增加積分時間時系統測量的信噪比并不會有明顯的改善，而此時系統的存儲、運算等成本會大大增加。因此所選擇的積分時間常數是否適當也影響著鎖相放大器系統的整體性能[11]。

5.結論

通過實驗對比發現，相較于模擬鎖相放大器，基于DSP的數字鎖相放大器具備更多的優勢。數字鎖相放大器的調制信號和參考信號來源于DSP內部晶振時鐘信號，它隨溫度和時間的波動變化小，故而引入的參考信號誤差更??；數字鎖相放大器先將模擬信號轉化為數字信號再進行相關運算，抗干擾能力更強，且輸出級中沒有直流放大器漂移的影響，動態范圍大；數字鎖相放大器的信號處理單元能在極短時間內完成鎖相功能，實時性更好；數字鎖相放大器的參數優化更容易實現，在硬件條件不變的情況下，通過優化軟件算法也能更進一步地提高系統性能，有利于系統獲得更高的信噪比。

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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