基于DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖定放大器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用分析

1、引言

數(shù)字鎖定放大器相比模擬鎖定放大器具有穩(wěn)定、精度高等特點(diǎn)，在頻率掃描中有明顯的優(yōu)點(diǎn)。基于TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技術(shù)采用頻率調(diào)制技術(shù)向激光二極管注入正弦波電流進(jìn)行頻率調(diào)制，用調(diào)制頻率的倍頻信號(hào)作為參考信號(hào)，用鎖定放大器鎖定所關(guān)心的二次諧波信號(hào)，采用DSP設(shè)計(jì)的鎖定放大器用于二次諧波檢測(cè)使測(cè)量系統(tǒng)有極高的靈敏度、精確的分辨率以和較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

2、數(shù)字鎖定放大器原理

由圖1即可運(yùn)用DSP數(shù)字鎖定放大器的軟件設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)流程如圖2所示：

鎖定算法程序如下：

Void main（）

{

………。. //系統(tǒng)初始化，變量定義及初始化，略

//產(chǎn)生頻率為f Hz（此處為激光信號(hào)二次諧波頻率）的參考正弦和參考余弦。

RefWave（f）;

Sigfilt（）; //運(yùn)用TI提供的濾波器庫濾除噪聲

Correlate（）; //相關(guān)運(yùn)算

lpf（）;

AmpCalc（）;

PhaCalc（）;

………。 //后續(xù)處理：顯示輸出、反饋控制量等

}

其中生成參考信號(hào)和相關(guān)計(jì)算子程序如下：

void RefWave（f）

{

for（i=0; i《f; i++）

{

x = _IQ（PI*i/10）; //據(jù)本文公式（2）產(chǎn)生參考，N的值為20

sinx［i］ = _IQsin（x）; //采用Q格式運(yùn)算，因?yàn)?812為定點(diǎn)DSP

cosx［i］ = _IQcos（x）;

}

}

void Correlate（）

{

for（i=0; i《n; i++） //n為積分時(shí)間的樣點(diǎn)數(shù)

{

//進(jìn)行乘加運(yùn)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(hào)的M個(gè)采樣點(diǎn)

temp1 = _IQ20div（temp1， M）; //公式（3）

Rxrs = _IQ20toIQ（temp1）; //正弦互相關(guān)結(jié)果

temp2 = _IQ20div（temp2， M）;

Rxrc = _IQ20toIQ（temp2）; //余弦互相關(guān)結(jié)果

}

3、數(shù)字鎖定放大器在TDLAS測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖3是利用激光測(cè)量汽車廢氣濃度的系統(tǒng)框圖。

本系統(tǒng)采用TDLAS原理，對(duì)汽車排放尾中的二氧化碳濃度進(jìn)行測(cè)量。TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）測(cè)量系統(tǒng)的激光光源由商用的可調(diào)諧激光二極管產(chǎn)生，采用的是基準(zhǔn)波長為1583.69nm、輸出波長可調(diào)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(jīng)過分光比例為50/50的分光器后變?yōu)閮墒?，一束直接進(jìn)入到自平衡接收器，一束經(jīng)瞄準(zhǔn)器對(duì)準(zhǔn)，穿過樣本氣室后由光纖接收進(jìn)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(dá)到50dB，可以消除兩路光束的噪聲，同時(shí)也可以降低對(duì)于鎖定放大器的動(dòng)態(tài)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(shù)字設(shè)計(jì)方法，首先由ADC采樣自平衡接收器輸出的模擬信號(hào)，然后在TMS320F2812內(nèi)部用鎖定核心算法，鎖定被測(cè)信號(hào)的二次諧波信號(hào)分量，最后依據(jù)Lambert-Beer定律計(jì)算測(cè)量結(jié)果并輸出。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的同時(shí)利用DSP產(chǎn)生30KHz的正弦信號(hào)和50Hz的斜坡信號(hào)作為激光二極管的調(diào)制信號(hào)。

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

借助于TMS320F2812強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，運(yùn)用相關(guān)算法和濾波算法，數(shù)字鎖定放大器對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)能力相較于傳統(tǒng)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(dá)到106。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字鎖定放大器應(yīng)用在基于TDLAS二次諧波檢測(cè)氣體濃度系統(tǒng)中，其檢測(cè)精度能達(dá)到10ppb級(jí)。在應(yīng)用于汽車尾氣測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)的對(duì)氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)并得到結(jié)果。運(yùn)用DSP設(shè)計(jì)的數(shù)字鎖定放大器對(duì)于汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)中微弱的激光信號(hào)，，對(duì)于汽車廢氣的動(dòng)態(tài)排放規(guī)律研究新的控制策略有重要意義。

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