CN104811152A - 一种主动扫描式正交矢量数字锁相放大器 - Google Patents

一种主动扫描式正交矢量数字锁相放大器 Download PDF

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刘文清
贾良权
阚瑞峰
刘建国
姚路
阮俊
许振宇
魏敏
张光乐
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Abstract

本发明公开一种主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，包括依次连接的信号调理模块，信号采集模块，数据处理以及调制信号和扫描信号模块，通信模块，液晶显示模块。信号调理模块，将输入模拟信号进行前置放大、陷波、抗混叠滤波等预处理，预处理后的信号通过A/D高速数据采集，进入缓存、输入信号处理模块FPGA芯片缓存后，被存储在外部存储器中。FPGA内部产生同步2倍频参考信号，与待测信号进入正交矢量数字解调(DILA)处理单元，DILA运算后输出谐波信号。谐波信号数据通过网络传输或串行方式与上位机通信，也可以通过USB输出。FPGA芯片内部调制扫描信号模块生成的调制、扫描信号。

Description

一种主动扫描式正交矢量数字锁相放大器
技术领域：
本发明涉及一种锁相放大器，具体涉及的是在TDLAS波长调制中提取一次、二次谐波信号的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器。
技术背景：
波长调制技术和TDLAS技术相结合利用数字锁相放大器提取一次、二次谐波的质量流量测量方法，具有非接触测量、空间分辨率高、动态响应快、测量精度高、测量量程大、无需添加示踪粒子、易小型化等特点、是目前用于超然冲压发动机测量的最佳技术手段。对进气道氧气质量流量的检测，对发动机可变几何形状、混合压缩进气口进行改进控制，设计需要可以满足飞行需要的进气道质量流量传感器等提供必要的参考。进气道气流特点是高速(6～15倍音速)、强湍流和高总温，对激光器的扫描频率、采样速率要求较高，需要小型化的数字锁相放大器在现场使用。
在波长调制中气体的吸收光谱通常很微弱，并且受到噪声、干扰等影响，直接提取吸收特征气体的线型很困难，在超然冲压发动机进气道气体的质量流量测量系统中，需要双路高速、高位AD数据采集存储系统，为了产生激光器驱动电路的同步扫描和调制信号，需要函数信号发生电路。
市场上商用的锁相放大器主要有美国signal recovery等公司的产品，这些产品有个明显的缺点就是体积过于庞大，不便于集成于系统、另外这些产品的带宽较低、处理速度较慢，在需要使用小型化场合下、环境苛刻条件下，带来很多不便。
锁相放大器的灵敏度及性能都会影响到激光频率的稳定性和重复性，进而影响到系统的测量准确度，通过锁相解调对光电探测器的微弱电信号进行放大，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。
主动扫描正交矢量数字锁相放大器主要存在以下技术难点：
1、高速、高位数据采集；
2、正交矢量解调信号算法的实时运算；
3、要求体积小，功能多，系统稳定；
4、较宽范围的待测信号波段时，信号解调滤波器参数设置。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有锁相放大器的缺陷，解决在波长调制吸收光谱技术中需要使用的小型化锁相放大器的问题，并且满足在线测量仪器的快速响应需求，以及解决现有商业锁相放大器频率的抖动或者漂移，引起相位漂移的问题。提供了一种小型化的、集成了高速数据采集、主动扫描，数据采样速率高，数据精度高、频带宽、数据稳定的数字锁相放大器，采用正交矢量算法解调信号。
本发明提供了一种主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，所述数字式锁相放大器包括信号调理模块，高速高位数据采集模块，调制、扫描信号模块，通信模块，液晶显示模块，及一种数字域正交矢量锁相算法等；
本发明的技术方案是：
主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，包括依次连接的信号调理模块，信号采集模块，数据处理以及调制信号和扫描信号模块、通信模块，液晶显示模块，其特征在于：所述的信号调制模块包括依次连接的电流电压转换电路、陷波器、低通滤波器以及单端转差分电路，所述电流电压转换电路的输入端连接有探测器探测待测信号，所述信号采集模块为高速高位AD采集卡，所述数据处理以及调制信号和扫描信号模块为基于FPGA芯片的模块，内置有缓存区FIFO、片内ROM/RAM储存区、正交矢量算法模块、采样控制器以及数据控制器，所述FPGA芯片外围还设SDRAM存储芯片、通讯模块以及按键模块和液晶显示模块；FPGA芯片内部的采集控制器控制高速高位AD采集卡采集待测信号转换为数字信号，数字信号通过I/O口进入FPGA中的缓存区FIFO，缓存区FIFO对其累加、平均，之后数据控制器控制缓存区FIFO数据写入SDRAM存储芯片中，以及按顺序从SDRAM存储芯片中读取写入FPGA芯片片内ROM/RAM储存区，由DILA算法进行运算，FPGA芯片内部根据待测信号频率相应的产生2倍频正弦和余弦信号作为参考信号，参考信号与待测信号一起进入正交矢量算法模块进行调制得到调制信号，调制信号与上位机通讯，同时，FPGA内部利用频率合成DDS原理，生成正弦波调制信号，利用寄存器累加求和方式生成锯齿波扫描信号，扫描信号和调制信号一起可经过D/A转换、电压电流转换生成电压信号，所述电压信号可经过低通滤波以及加法电路叠加处理后供激光器使用。
所述正交矢量算法模块包括依次连接的相敏检测器单元、二级4阶低通滤波器以及运算单元，所述正交矢量算法模块调制参考信号与待测信号的过程如下：所述参考信号和待测信号一起进入正交矢量算法模块内部的相敏检测器单元，相敏检测器单元输出信号进入二级4阶低通滤波器，二级4阶低通滤波器输出Q和I两路正交信号，两路正交信号进入运算单元进行分别平方的Q2和I2，平方后求和得Q2+I2，求和后开平方得得调制信号。
所述高速高位AD采集卡为LTC2185采集卡，采样速率125MBPS，16位位宽。
所述的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，其特征在于：所述FPGA芯片采用EP2S90H484C5芯片，其有48个DSP、6个PLL、72768bit的LUT以及4520488bit内部存储器。
所述二级4阶低通滤波器采用IIR椭圆滤波器组，通带截止频率范围分别为：[100K，120K]；[1M，1.2M]；[10M，12M]；[20M，25M]；[30M，35M]；[40M，45M]。
所述陷波器、低通滤波器均采用OPA657芯片，所述低通滤波器电路采用二阶巴特沃斯结构，带通截止频率70MHZ。
所述D/A转换包括调制信号转换和扫描信号转换，均采用的是LTC1668转化芯片。
所述通讯模块为USB2.0串口通讯或/和CP2012串口通讯或/和以太网串口通讯。
所述液晶显示模块采用320*240分辨率的LQ035LCD屏。
所述FPGA芯片外围还设有电源管理电路。
所述按键模块采用ADS7843触摸屏控制芯片。
所述的片内ROM/RAM储存区采用Micron的MT48LC16M16A2P-7E，256M存储容量。
所述正交矢量算法模块的工作原理如下：
输入被测信号为：x(t)＝Vscos(ω0t)，
参考信号为：r(t)＝Vrcos(2ω0t+θ)，
输入信号和参考信号进入相敏检测器单元后，相敏检测器单元输出：
up(t)＝x(t)r(t)＝0.5VsVr cosθ+0.5VsVrcos(2ω0t+θ)，
低通滤波后，两路输出信号为：Q＝Vs sinθ，I＝Vscosθ，
两路正交矢量Q和I，正交幅值输出：
相位输出：θ＝arctan(Q/I)。
本发明的有益效果体现在：
本发明所述的一种数字锁相放大器，采用IIR低通滤波器代替原来的积分运算，避开了由于积分不是信号的整数周期而带来的数据不稳定性，而且IIR低通滤波器比平均值滤波器有更好的衰减斜率，容易做到更低的截止频率。椭圆结构IIR滤波器耗用芯片资源低。
本发明采用采用正交矢量算法，不要求输入信号与参考信号的相位差为零或常数值，能够实现不同相位差的准确解调，消除了模拟滤波器的频率非线性，也消除了单通道锁相放大器相位漂移等问题。
本发明所述的一种数字锁相放大器，缓存区FIFO对采集信号进行多次累加平均后进行存储，再进行数据运算处理，缓解了高速数据采集和FPGA实时运算之间的矛盾，既解决了纯模拟锁相的电路冗余和复杂，也解决了数字锁相进行的数字相关运算中引发的大存储和大运算问题。
本发明数字锁相放大器性能指标高，集成了多项功能，既解决了高速数据采集和调制、扫描信号问题，也解决了网络通信和USB通信等问题。采用两片SDRAM芯片，解决了大容量存储问题。嵌入式系统操作、触摸屏设计和LCD液晶显示使得人机交互更加方便舒适。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的电路结构原理图；
图3是本发明的正交矢量算法原理图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，包括依次连接的信号调理模块，信号采集模块、数据处理以及调制信号和扫描信号模块、通信模块，液晶显示模块，其特征在于：所述的信号调制模块包括依次连接的电流电压转换电路、陷波器、低通滤波器以及单端转差分电路，所述电流电压转换电路的输入端连接有探测器探测待测信号，所述信号采集模块为高速高位AD采集卡，所述数据处理以及调制信号和扫描信号模块为基于FPGA芯片的模块，内置有缓存区FIFO、片内ROM/RAM储存区、正交矢量算法模块、采样控制器以及数据控制器，所述FPGA芯片外围还设SDRAM存储芯片、通讯模块以及按键模块和液晶显示模块；FPGA芯片内部的采集控制器控制高速高位AD采集卡采集待测信号转换为数字信号，数字信号通过I/O口进入FPGA中的缓存区FIFO，缓存区FIFO对其累加、平均，之后数据控制器控制缓存区FIFO数据写入SDRAM存储芯片中，以及按顺序从SDRAM存储芯片中读取写入FPGA芯片片内ROM/RAM储存区，由DILA算法进行运算，FPGA芯片内部根据待测信号频率相应的产生2倍频正弦和余弦信号作为参考信号，参考信号与待测信号一起进入正交矢量算法模块进行调制得到调制信号，调制信号与上位机通讯，同时，FPGA内部利用频率合成DDS原理，生成正弦波调制信号，利用寄存器累加求和方式生成锯齿波扫描信号，扫描信号和调制信号一起可经过D/A转换、电压电流转换生成电压信号，所述电压信号可经过低通滤波以及加法电路叠加处理后供激光器使用。
如图3所示所述正交矢量算法模块包括依次连接的相敏检测器单元、二级4阶低通滤波器以及运算单元，所述正交矢量算法模块调制参考信号与待测信号的过程如下：所述参考信号和待测信号一起进入正交矢量算法模块内部的相敏检测器单元，相敏检测器单元输出信号进入二级4阶低通滤波器，二级4阶低通滤波器输出Q和I两路正交信号，两路正交信号进入运算单元进行分别平方的Q2和I2，平方后求和得Q2+I2，求和后开平方得得调制信号。
所述高速高位AD采集卡为LTC2185采集卡，采样速率125MBPS，16位位宽。
所述的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，其特征在于：所述FPGA芯片采用EP2S90H484C5芯片，其有48个DSP、6个PLL、72768bit的LUT以及4520488bit内部存储器。
所述二级4阶低通滤波器采用IIR椭圆滤波器组，通带截止平率范围分别为：[100K，120K]；[1M，1.2M]；[10M，12M]；[20M，25M]；[30M，35M]；[40M，45M]。
所述陷波器、低通滤波器均采用OPA657芯片，所述低通滤波器电路采用二阶巴特沃斯结构，带通截止频率70MHZ。
所述D/A转换包括调制信号转换和扫描信号转换，均采用的是LTC1668转化芯片。
所述通讯模块为USB2.0串口通讯或/和CP2012串口通讯或/和以太网串口通讯。
所述液晶显示模块采用320*240分辨率的LQ035LCD屏。
所述FPGA芯片外围还设有电源管理电路。
所述按键模块采用ADS7843触摸屏控制芯片。
所述的片内ROM/RAM储存区采用Micron的MT48LC16M16A2P-7E，256M存储容量。
所述正交矢量算法原理如下：
输入被测信号为：x(t)＝Vscos(ω0t)，
参考信号为：r(t)＝Vrcos(2ω0t+θ)，
输入信号和参考信号进入相敏检测器后，相敏检测器输出：
up(t)＝x(t)r(t)＝0.5VsVrcosθ+0.5VsVrcos(2ω0t+θ)，
低通滤波后，两路输出信号为：Q＝Vssinθ，I＝Vscosθ，
两路正交矢量Q和I，正交幅值输出：
相位输出：θ＝arctan(Q/I)。

Claims (10)

1.主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，包括依次连接的信号调理模块，信号采集模块，数据处理以及调制信号和扫描信号模块、通信模块，液晶显示模块，其特征在于：所述的信号调制模块包括依次连接的电流电压转换电路、陷波器、低通滤波器以及单端转差分电路，所述电流电压转换电路的输入端连接有探测器探测待测信号，所述信号采集模块为高速高位AD采集卡，所述数据处理以及调制信号和扫描信号模块为基于FPGA芯片的模块，内置有缓存区FIFO、片内ROM/RAM储存区、正交矢量算法模块、采样控制器以及数据控制器，所述FPGA芯片外围还设SDRAM存储芯片、通讯模块以及按键模块和液晶显示模块；FPGA芯片内部的采集控制器控制高速高位AD采集卡采集待测信号并转换为数字信号，数字信号通过I/O口进入FPGA中的缓存区FIFO，数据控制器控制缓存区FIFO数据写入SDRAM存储芯片中，以及从SDRAM存储芯片中写入FPGA芯片片内ROM/RAM储存区，FPGA芯片内部根据待测信号频率采用可编程控制程序相应的产生2倍频正弦和余弦信号作为参考信号，参考信号与待测信号一起进入正交矢量算法模块进行调制得到调制信号，调制信号与上位机通讯，同时，FPGA内部根据频率合成DDS原理采用可编程控制程序生成正弦波调制信号，利用寄存器累加求和方式生成锯齿波扫描信号，扫描信号和调制信号一起可经过D/A转换、电压电流转换生成电压信号，所述电压信号可经过低通滤波以及加法电路叠加处理后供激光器使用。
2.根据权利要求1所述的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，其特征在于：所述正交矢量算法模块包括依次连接的相敏检测器单元、二级4阶低通滤波器以及运算单元，所述正交矢量算法模块调制参考信号与待测信号的过程如下：所述参考信号和待测信号一起进入正交矢量算法模块内部的相敏检测器单元，相敏检测器单元输出信号进入二级4阶低通滤波器，二级4阶低通滤波器输出Q和I两路正交信号，两路正交信号进入运算单元进行分别平方的Q2和I2，平方后求和得Q2+I2，求和后开平方得调制信号。
3.根据权利要求1所述的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，其特征在于：所述高速高位AD采集卡为LTC2185采集卡，采样速率125MBPS，16位位宽。
4.根据权利要求1所述的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，其特征在于：所述FPGA芯片采用EP2S90H484C5芯片，其有48个DSP、6个PLL、72768bit的LUT以及4520488bit内部存储器。
5.根据权利要求2所述的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，其特征在于：所述二级4阶低通滤波器采用IIR椭圆滤波器组，通带截止频率范围分别为：[100K，120K]；[1M，1.2M]；[10M，12M]；[20M，25M]；[30M，35M]；[40M，45M]。
6.根据权利要求1所述的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，其特征在于：所述陷波器、低通滤波器均采用OPA657芯片，所述低通滤波器电路采用二阶巴特沃斯结构，带通截止频率70MHZ。
7.根据权利要求1所述的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，其特征在于：所述D/A转换包括调制信号转换和扫描信号转换，均采用的是LTC1668转化芯片。
8.根据权利要求1所述的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，其特征在于：所述通讯模块为USB2.0串口通讯或/和CP2012串口通讯或/和以太网串口通讯。
9.根据权利要求1所述的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，其特征在于：所述液晶显示模块采用320*240分辨率的LQ035LCD屏。
10.根据权利要求1所述的主动扫描式正交矢量数字锁相放大器，其特征在于：所述FPGA芯片外围还设有电源管理电路。
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