利用DSP和采樣ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖定放大器的方法

鎖定放大器（LIA）在微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，本質(zhì)上它是一種實(shí)現(xiàn)互相關(guān)檢測(cè)的儀器，模擬LIA一般用開(kāi)關(guān)式乘法器和低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬相敏檢波，數(shù)字LIA是通過(guò)ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)再由DSP或微處理器來(lái)進(jìn)行數(shù)字解調(diào)運(yùn)算。數(shù)字LIA比模擬LIA有許多優(yōu)點(diǎn)，如諧波抑制能力強(qiáng)、無(wú)直流漂移、實(shí)行數(shù)字處理有很好的靈活性等。陳佳圭對(duì)早期實(shí)現(xiàn)數(shù)字LIA的5種主要方法進(jìn)行了介紹，它們的一個(gè)共同特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、易行，基本上只需做累加運(yùn)算就可得出檢測(cè)結(jié)果，但它們不能很好地抑制諧波。左營(yíng)喜等提出的分段累加相關(guān)法有一定的靈活性，可在抑制諧波和提高處理速度之間進(jìn)行折衷。SR850是國(guó)外近幾年推出的第一代數(shù)字LIA產(chǎn)品，其工作原理是通過(guò)ADC以256 kHz的固定采樣率把被測(cè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)序列，由DSP合成正弦參考序列，在DSP中將參考序列和采樣得到的信號(hào)序列相乘，再進(jìn)行數(shù)字低通濾波得到解調(diào)輸出。
　　本文給出了一種利用DSP和采樣ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖定放大器的方法，與SR850類似，通過(guò)采樣ADC將被測(cè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)序列，由DSP合成參考序列，但不同的是，這里要控制采樣頻率以實(shí)現(xiàn)整周期采樣，這樣不僅使得DSP可以精確地合成參考序列，而且能建立簡(jiǎn)潔、有效的數(shù)字互相關(guān)運(yùn)算。文中對(duì)這種方法進(jìn)行了分析，并給出了實(shí)際設(shè)計(jì)的數(shù)字LIA。
　　1　工作原理
　　在互相關(guān)檢測(cè)中有一個(gè)參考信號(hào)，設(shè)參考信號(hào)頻率為fr，可以通過(guò)一定方法控制采樣頻率fs，使得fs＝N·fr，N≥3，N由DSP來(lái)確定。設(shè)被測(cè)信號(hào)x（t）＝Asin（2πfrt＋φ），A＞0為信號(hào)幅度，φ為信號(hào)初相位，在q個(gè)參考信號(hào)周期對(duì)x（t）進(jìn)行M＝q·N
　　
　　不用對(duì)實(shí)際的參考信號(hào)進(jìn)行采樣，而由DSP根據(jù)N來(lái)合成正弦參考序列rs（k）和余弦參考序列rc（k）
　　
　　rs（k）和rc（k）分別相當(dāng)于對(duì)正弦參考信號(hào)sin（2πfrt）和余弦參考信號(hào)cos（2πfrt）進(jìn)行同步采樣所得。按式（3，4）來(lái)計(jì)算x（k）和rs（k）的互相關(guān)Rxrs，x（k）和rc（k）的互相關(guān)Rxrc
　　
　　式（3，4）分別表示同相輸出和正交輸出，對(duì)于由式