CN103604500B - 光栅扫描型光谱仪的检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光栅扫描型光谱仪的检测系统及检测方法，所述的检测控制系统是由上位机经微控制器单元、高速模数转换器单元、锁相环稳速单元和切光器与测速电路连接，测速电路与锁相环稳速单元连接构成。与现有光栅扫描型光谱仪相比没有参考信号，没有移相、相敏检波和滤波电路；以DSP微控制器单元和锁相环稳速单元代替了模拟移相电路、同步积分电路、滤波倒相电路和参考信号整形电路。实现了数字化积分、滤波，减少了中间调制环节，简化了电路、降低电路系统调试难度。检测系统通过锁相环稳速电路保证采样控制信号与检测信号的倍频关系，实现同步采样，对检测信号频率无定值要求，电路简单，调试环节少，降低了设备成本。

Description

光栅扫描型光谱仪的检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于光谱信号检测系统的数字锁相放大器，尤其是光栅扫描型近红外光谱仪的信号检测系统及检测方法。

背景技术

近红外光谱仪器作为一种常用的分析仪器，应用范围广泛。

近红外光谱仪器由光源、切光器、分光系统、取样器、探测器及转换电路、检测和控制系统、电源等几个部分组成。对于采用光栅扫描进行分光的近红外光谱仪器，光源发出的复合光，经单色仪输出各个波长的单色光、并由切光器机械调制为固定频率的交流调幅光信号，该信号经取样器与样品作用后由探测器及转换电路转换为固定频率的电信号。由于传感器、电路、杂散光等因素的影响，此电信号中必然参杂各种噪声，因此检测系统对此信号进行滤波、放大、解调、数模转换等处理后，得到单色光对应光强（调幅光信号的幅值）的数字量。控制系统控制单色器扫描从而获得所需波长范围的光谱信号。

检测系统对这种混入各种噪声的固定频率微弱信号（检测信号），通常采用锁相放大电路实现检测：将检测信号和参考信号（与被测信号同频同相的方波信号）进行相敏检波、低通滤波、放大后得到同频分量的幅值信号，从而有效地抑制噪声和谐波。但电路复杂，还需要对检测信号的带通滤波、放大、对参考信号的移相等环节，而且每个部分环节的信号处理均依赖前一级输出信号，输出信号受各级电路影响，造成系统调试难度逐级加大，系统的稳定性、仪器的一致性很难保证。

现有的数字锁相放大器，需要已知检测信号的频率模拟参考信号或输入与检测信号同频同相的方波或正弦信号作为参考信号，与检测信号做乘法和积分运算、再进行低通滤波处理，计算量大。若采用计算机进行处理，更需要采集电路与计算机间的数据传输，影响光谱采集速度，无法满足光谱扫描对速度的要求。

CN102045036A公开了“一种数字锁相放大器”，采用的是CORDIC算法产生参考信号，通过乘法器进行检波，IIR滤波器进行后级的低通滤波，这种锁相放大器需要输入方波或正弦波信号作为参考信号，且要求信号的输入频率稳定。

CN102916665A公开了一种“双相数字式锁相放大器及其数字域同步锁相算法”，实现自动跟踪滤波、同步锁相功能，可适应变化的信号输入频率，但同样需要两路相位差为90°的方波信号作为参考信号。

吉林大学，刘志伟“便携式近红外光谱仪器数字解调采集系统研制”的论文中，提出以一种在检测信号频率已知且稳定的情况下，利用CPLD控制4N倍信号频率采样实现数字化包络解调，这种数字锁相放大器需要已知检测信号频率，且频率稳定并可与整周期分频的CPLD控制频率相吻合，否则易造成包络信号提取误差。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种基于锁相环倍频同步采样的数字锁相放大器，采用数字正交检波方法实现光谱信号光强的检测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

光栅扫描型光谱仪的检测系统，由光源经切光器和分光系统、检测控制系统、传感器模块和取样器与连接，光源经稳压控制电路与检测控制系统连接组成，所述的检测控制系统是由上位机经微控制器单元、高速模数转换器单元、锁相环稳速单元分别连接切光器和测速电路，微控制器单元分别连接分光系统和稳压控制电路构成。

所述的锁相环稳速单元是由时钟晶振电路经分频电路、锁相电路、滤波放大电路、切光器、测速电路和倍频电路与高速模块转换器单元连接构成。

所述的倍频电路通过反馈信号接口将测速电路输出的频率为f的反馈信号进行4n倍频，倍频后其频率为4nf，该信号一方面作为锁相比较信号输出给锁相电路，一方面作为ADC采样控制信号通过采样控制信号接口输出给高速模数转换器单元，采样频率4nf，与检测信号的频率f成4n倍数关系，实现倍频同步采样；

分频电路将频率为M的基准频率信号分频后作为锁相基准信号，分频系数为t，频率为M/t；

锁相电路接收锁相比较信号和锁相基准信号，对二者鉴频、鉴相锁定后，二者频率相等：4nf=M/t，输出带有高频成分的直流控制信号；该信号通过滤波放大后控制切光器机械调制信号的频率f。

光栅扫描型光谱仪检测系统的检测方法，是对光谱仪每个扫描波长点的采样信号进行正交检波处理，以正交计算实现相敏检波中检测信号与2个90°相差的参考信号的乘法和积分，以算数平均运算实现锁相放大的低通滤波，以方波级数展开项系数校正实现光谱信号光强的检测，包括以下步骤：

a、接受上位机指令，确定采样周期m值；

b、读取ADC采样值x(i)；

c、计算每个采样周期的4个1/4周期分量I(j)：

$I\left(j\right)=\frac{1}{n}\underset{i=n(j-1)+1}{\overset{\mathrm{nj}}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)$

其中j=1,2，…，4m；

d、正交计算，计算检测信号与方波参考信号的等效正弦分量S_Q和余弦分量S_I；

$S_Q=\frac{1}{4m}\underset{k=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}[\underset{j=4k+1}{\overset{2k+2}{\mathrm{\Σ}}}I\left(j\right)-\underset{j=4k+3}{\overset{4k+4}{\mathrm{\Σ}}}I\left(j\right)]$

$S_I=\frac{1}{4m}\underset{k=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}[I(4k+1)-\underset{j=4k+2}{\overset{4k+3}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j+I(4k+4)]$

e、方波系数校正计算当前波长点信号的幅值A

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}\sqrt{S_Q^2+S_I^2}.$

有益效果：本发明采用一种基于锁相环倍频同步采样的数字锁相放大检测系统实现光谱信号的检测。与现有的光栅扫描型光谱仪采用锁相放大电路的检测系统相比，没有参考信号，没有移相、相敏检波和滤波电路；以微控制器单元和锁相环稳速单元代替了模拟移相电路、同步积分电路、滤波倒相电路和参考信号整形电路，实现了数字化积分、滤波，减少了中间调试环节，简化电路、降低电路系统调试难度。而且本发明的检测系统通过锁相环稳速电路保证采样控制信号与检测信号的倍频关系，实现同步采样，同时对检测信号频率无定值要求，电路简单，调试环节少，降低了设备成本。

附图说明；

图1光栅扫描型光谱仪的检测系统结构框图

图2为附图1中检测控制系统结构框图

图3为附图2中锁相环稳速单元结构框图

图4为附图2中测速电路原理图

图5光栅扫描型光谱仪检测系统的检测方法流程图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

光栅扫描型光谱仪器结构如图1—3所示，

光栅扫描型光谱仪的检测系统，由光源经切光器和分光系统、检测控制系统、传感器模块和取样器与连接，光源经稳压控制电路与检测控制系统连接组成，所述的检测控制系统是由上位机经微控制器单元、高速模数转换器单元、锁相环稳速单元分别连接切光器和测速电路，微控制器单元分别连接分光系统和稳压控制电路构成。

所述的锁相环稳速单元是由时钟晶振电路经分频电路、锁相电路、滤波放大电路、切光器、测速电路和倍频电路与高速模块转换器单元连接构成。

所述的倍频电路通过反馈信号接口将测速电路输出的频率为f的反馈信号进行4n倍频，倍频后其频率为4nf，该信号一方面作为锁相比较信号输出给锁相电路，一方面作为ADC采样控制信号通过采样控制信号接口输出给高速模数转换器单元，采样频率4nf，与检测信号的频率f成4n倍数关系，实现倍频同步采样；

分频电路将频率为M的基准频率信号分频后作为锁相基准信号，分频系数为t，频率为M/t；

锁相电路接收锁相比较信号和锁相基准信号，对二者鉴频、鉴相锁定后，二者频率相等：4nf=M/t，输出带有高频成分的直流控制信号；该信号通过滤波放大后控制切光器机械调制信号的频率f。

光栅扫描型光谱仪检测系统的检测方法，是对光谱仪每个扫描波长点的采样信号进行正交检波处理，以正交计算实现相敏检波中检测信号与2个90°相差的参考信号的乘法和积分，以算数平均运算实现锁相放大的低通滤波，以方波级数展开项系数校正实现光谱信号光强的检测，包括以下步骤：

a、接受上位机指令，确定采样周期m值；

b、读取ADC采样值x(i)；

c、计算每个采样周期的4个1/4周期分量I(j)：

$I\left(j\right)=\frac{1}{n}\underset{i=n(j-1)+1}{\overset{\mathrm{nj}}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)$

其中j=1,2，…，4m；

d、正交计算，计算检测信号与方波参考信号的等效正弦分量S_Q和余弦分量S_I；

$S_Q=\frac{1}{4m}\underset{k=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}[\underset{j=4k+1}{\overset{2k+2}{\mathrm{\Σ}}}I\left(j\right)-\underset{j=4k+3}{\overset{4k+4}{\mathrm{\Σ}}}I\left(j\right)]$

$S_I=\frac{1}{4m}\underset{k=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}[I(4k+1)-\underset{j=4k+2}{\overset{4k+3}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j+I(4k+4)]$

e、方波系数校正计算当前波长点信号的幅值A

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}\sqrt{S_Q^2+S_I^2}.$

本发明是针对光栅扫描型光谱仪的测控系统，提供一种基于锁相环同步采样的数字锁相放大器，采用数字正交运算的方法实现光谱信号光强的检测。

光栅扫描型光谱仪的检测系统包括锁相环稳速电路、测速电路、微控制器单元、高速模数转换器单元四个部分。

所述的测速电路由光耦和转换电路组成，光耦采集切光器的机械调制信号，转换电路将其转换为电信号，作为反馈信号输入锁相环稳速控制单元。反馈信号频率与检测信号同频。

所述的锁相环稳速单元由钟晶振电路、分频电路、倍频电路、锁相电路、滤波放大电路五部分以及反馈、稳速、采样控制三个信号接口组成：时钟晶振电路与分频电路输入端相连，为其提供频率为M的基准频率信号；分频电路输出端与锁相电路相连，提供将基准频率信号分频（分频系数为t）后的锁相基准信号，频率为M/t；倍频电路分别与锁相电路、测速电路和高速模数转换器单元相连，通过反馈信号接口将测速电路输出的频率为f的反馈信号进行4n倍频后（频率为4nf），分别作为锁相比较信号输出给锁相电路、作为ADC采样控制信号通过采样控制信号接口输出给高速模数转换器单元；锁相电路与分频电路、倍频电路、滤波放大电路相连，接收锁相比较信号和锁相基准信号，对二者鉴频、鉴相锁定后，二者频率相等：4nf=M/t，输出带有高频成分的直流控制信号；滤波放大电路与锁相电路和切光器相连，将控制信号转换为一个幅值渐变至稳定的直流稳速信号通过稳速信号接口输出给光谱仪切光器控制器电机转速，使光谱仪的调制信号频率稳定为f。

所述的锁相环稳速单元通过对频率为M的基准频率信号的分频、与检测信号同频的反馈信号（频率为f）倍频处理，产生频率为M/t的锁相基准信号和频率为4nf的锁相比较信号，对二者鉴频、鉴相后在保证其输出的控制信号稳定时，二者频率相等，即保证检测信号的频率f=M/4nt。同时倍频信号通过控制线控制高速模数转换器单元的采样频率4nf，与检测信的频率成4n倍数关系，实现倍频同步采样，其中M、t、n可根据光谱仪传感器性能选取。

所述的高速模数转换器单元与光谱仪的传感器模块、微控制器单元和锁相环稳速单元相连，接收锁相环稳速单元倍频信号控制其采样频率为4nf，对由光谱仪探测器模块输出的检测信号进行m个信号周期的采样，转换为数字信号x通过数据线送入微控制器单元的存储空间。

所述的微控制器单元分别与上位机、分光系统、稳压控制电路、高速模数转换器单元相连，接收上位机传递下来的控制指令，同时控制光源的稳压控制电路、分光系统的扫描工作，并接收采样数据x(i)（i=1,2，…，N，N=4nm为采样个数）进行正交检波运算，得出检测信号的幅值，运算结果通过接口传递给上位机。其中n、m根据微控制器单元的存储和计算能力选取。

所述的基于正交检波计算的锁相放大方法，利用采样数据的正交计算实现相敏检波中检测信号与2个90°相差的参考信号的乘法和积分，以平均运算实现锁相放大的低通滤波，以方波级数展开项系数校正运算实现光谱信号光强的检测。

光栅扫描型光谱仪利用切光器将光源产生的复合光调制为周期的光信号。调制后的光信号由分光系统转换为所需范围的单一波长的入射光照射到样品上、通过积分球取样获得与样品作用后的单色光，再经过传感器模块进行光电转换和初步的滤波放大，转换成固定频率的电信号。检测控制系统对该信号进行转换处理，得到与光信号峰值相关的数字量送入上位机；同时进行仪器系统控制：分光系统的扫描驱动与定位控制、通过稳压和稳速电路对光源进行稳压控制和对切光器进行稳速控制。

其中的检测控制系统采用基于锁相环倍频同步采样的数字锁相放大检测系统，包括微控制器单元、高速模数转换器、锁相环稳速电路、测速电路四个部分。

微控制器单元选用DSP芯片，可兼顾控制和快速运算的双重功能。通过接口接收上位机（PC机）的控制指令，控制分光系统的光栅扫描，输出所需波长的单色光，传感器模块将此信号进行转换、放大、滤波后，作为检测信号输入检测系统。

高速模数转换器单元选用16位模数转化ADC芯片，对由光谱仪探测器模块输出的检测信号进行采样，转换为数字信号x(i)，通过数据线送入微控制器单元。其采样由锁相环稳速控制单元的倍频信号进行控制。

锁相环稳速控制单元选用计数器MC74HC161AD、计数器CD4040BCM、锁相环集成电路芯片CD4046BCM等组成分频、锁相、倍频、滤波放大电路，如图3所示。由时钟晶振电路提供5MHz的基准频率信号，经分频电路16分频输出312.5kHz的锁相基准信号。锁相电路将锁相比较信号、锁相基准信号进行鉴频、鉴相输出带有高频成分的直流控制信号，经过滤波放大电路，产生一个幅值渐变至稳定的直流稳速信号控制电机转速，使其调制信号频率稳定为f=610.3Hz。其中倍频电路将测速电路输出的反馈信号进行512倍频后，分别作为锁相比较信号和ADC采样控制信号。

测速电路如图4所示，由光耦和转换电路组成，光耦采集切光器的机械调制信号，转换电路将其转换为电信号，作为锁相环稳速控制单元的反馈信号。

微控制器单元选取数字信号序列x(i)（i=1,2，…，N=512m）中的512m个数据（m为取样周期，正整数，由上位机控制指令确定），进行正交检波计算，得出检测信号的幅值，作为对应波长处的光谱测量值，通过接口送入上位机。正交检波计算采用正交矢量锁定放大器原理，将每个信号周期输入的512个采样数据分成四组，每组n=128个采样数据累加平均得4个1/4周期分量后进行正交计算，每个周期得到一个正弦分量和一个余弦分量，m个周期的正、余弦分量算术平均后平方、开方、校正后，计算得信号幅值A。这一过程在DSP中以c语言编程实现。光栅扫描型光谱仪检测系统的检测方法具体步骤如下：

a、接受上位机指令，确定m值；

b、根据ADC采样值x(i)计算m个周期的4个1/4周期分量x1(j)、x2(j)、x3(j)、x4(j)，其中j=1,2，…，m，n=128。x1(j)、x2(j)、x3(j)、x4(j)的计算公式：

$x1\left(j\right)=\frac{1}{128}\underset{i=512j-511}{\overset{512j-384}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)$

$x2\left(j\right)=\frac{1}{128}\underset{i=512j-385}{\overset{512j-256}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)$

$x3\left(j\right)=\frac{1}{128}\underset{i=512j-255}{\overset{215j-128}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)$

$x4\left(j\right)=\frac{1}{128}\underset{i=512j-127}{\overset{512j}{\mathrm{\Σ}}}x\left(i\right)$

c、根据x1(j)、x2(j)、x3(j)、x4(j)计算每个采样周期的正弦分量I_Q(j)和余弦分量I_I(j)：

$I_Q\left(j\right)=\frac{1}{4}[x1\left(j\right)+x2\left(j\right)-x3\left(j\right)-x4\left(j\right)]$

$I_I\left(j\right)=\frac{1}{4}[x1\left(j\right)-x2\left(j\right)-x3\left(j\right)+x4\left(j\right)]$

d、根据I_Q(j)和I_I(j)计算m（设m=100）个采样周期的正弦分量和余弦分量的算术平均值S_Q和S_I：

$S_Q=\frac{1}{100}\underset{j=1}{\overset{100}{\mathrm{\Σ}}}{I}_Q\left(j\right)$

$S_I=\frac{1}{100}\underset{j=1}{\overset{100}{\mathrm{\Σ}}}{I}_I\left(j\right)$

e、根据S_Q和S_I计算信号幅值A，计算公式：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}\sqrt{S_Q^2+S_I^2}.$

本发明不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形（如选取不同的M、f、t、n、m）不脱离本发明的设计思想和范围，并属于本发明的权利要求和同等技术范畴内，则本发明也包含这些改动和变形。

Claims (1)

1.一种光栅扫描型光谱仪的检测系统，由光源经切光器和分光系统与检测控制系统连接，分光系统还经取样器和传感器模块与检测控制系统连接，光源经稳压控制电路与检测控制系统连接组成；检测控制系统包括微控制器单元、高速模数转换器单元、锁相环稳速单元与测速电路，微控制器单元分别连接高速模数转换器单元、上位机、分光系统和稳压控制电路，锁相环稳速单元与高速模数转换器单元连接，测速电路、锁相环稳速单元与切光器构成闭环连接；

所述的锁相环稳速单元包括时钟晶振电路、分频电路、锁相电路、滤波放大电路和倍频电路，时钟晶振电路经分频电路与锁相电路连接，锁相电路与滤波放大电路、切光器、测速电路和倍频电路构成闭环连接，倍频电路与高速模数转换器单元连接；

其特征在于，对光谱仪每个扫描波长点的采样信号进行正交检波处理，以正交计算实现相敏检波中检测信号与2个90°相差的参考信号的乘法和积分，以算数平均运算实现锁相放大的低通滤波，以方波级数展开项系数校正实现光谱信号光强的检测，包括以下步骤：

a、接受上位机指令，确定采样周期m值；

b、读取ADC采样值x(i)；其采样频率与检测信号的频率f成4n倍数关系，i＝1,2，…，4nm；

c、计算每个采样周期的4个1/4周期分量I(j)：

其中j＝1,2，…，4m；

d、正交计算，计算检测信号与方波参考信号的等效正弦分量S_Q和余弦分量S_I；

e、方波系数校正计算当前波长点信号的幅值A