CN105181140A - 简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪及检测方法，是由上位机、检测控制系统、稳压控制电路、光源、调制器和单色仪与检测控制系统连接，检测控制系统经稳速电路与调制器连接，单色仪经取样器和传感器模块与检测控制系统连接构成。采用数字整周期累积解调的检测方法，对光谱仪每个扫描波长点的采样信号进行简化数字锁相放大处理，以整周期信号绝对值累计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低通滤波，以方波级数展开系数校正实现光谱信号幅值的检测。与现有的光栅扫描型光谱仪采用模拟锁相放大电路检测系统和数字解调采集系统相比，电路简单、成本低，算法简单，检测速度快、精度高。

Description

简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪及检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于幅度调制信号检测系统的数字解调技术，尤其是光栅扫描型光谱仪的信号检测系统的数字解调方法。

背景技术

光谱仪器是一种应用广泛的分析仪器，其由光源、调制器、单色仪、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。采用光栅扫描进行分光的光谱仪器，其光源发出的复合光，经过调制器机械调制为固定频率的交流调幅光信号，该信号经单色仪后输出各个波长的单色光、通过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、模数转换等处理后，得到单色光对应光强(调幅光信号的幅值)的数字量。控制系统控制单色仪扫描从而获得所需波长范围的光谱信号。

对于幅度调制信号的解调，检测系统通常采用锁相放大电路实现：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。其电路包括检测信号的带通滤波和放大、对参考信号的移相、相敏检波、低通滤波等环节，而且每个部分环节的信号处理的结果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，在电路中省去了移相、相敏检波、低通滤波等环节，但依然存在一些问题。如：

CN102403969A公开了“一种数字锁相放大器和数字锁相控制方法”，采用设置采样频率为被测信号频率4的整周期倍的方法，用加减法运算替代了正交解调中的乘法运算。此种方法需要乘方开方运算，要求被测信号频率稳定且已知，同时要求采样频率为被测信号频率的特定倍数。

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，但要求作为参考信号的两路相位差为90°的方波信号与检测信号同频，而且进行三路信号的采集，送入PC机，在由PC机实现锁相算法，不能满足光谱扫描对实时采样的要求。

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，提出利用CPLD分频产生4N倍信号频率的采样控制信号进行采样，并进行正交运算实现双相数字锁相放大。但需要检测信号频率已知且稳定，并与CPLD分频产生的控制信号频率成4N倍的关系，否则检测误差大。

可见，现有的数字锁相放大器需要已知被测信号的频率，提供与其同频的参考信号进行乘法和积分运算，或采用特定的采样方法、利用加减法模拟正交计算，计算量大、运算复杂且耗时，影响仪器采集速度，而且对于频率不稳定的检测信号检测误差大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有数字锁相放大器的不足，提供一种简化的数字锁相放大器；

本发明的另一目的是提供简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪及检测方法；是采用数字整周期绝对值累计平均的方法进行光谱幅度调制信号的解调，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：

简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪，是由上位机经检测控制系统、驱动控制电路、光源、调制器和单色仪与驱动控制电路连接，驱动控制电路与调制器连接，单色仪经取样器和传感器模块与检测控制系统连接构成。

检测控制系统是由微控制器单元分别经数据线和信号线与高速模数转换器单元连接构成。

驱动控制电路是由检测控制系统分别经稳速电路、稳压控制电路、步进电机驱动电路和限位检测电路分别与切光器、光源和单色仪连接构成。

简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪的检测方法，是微控制器单元采用数字整周期绝对值累计平均的方法，对每个波长点的光谱幅度调制信号进行解调，实现光谱信号强度的检测，以正向过零判断整周期起点检测保证检测信号与参考信号同相且初始相位为0，以整周期信号绝对值累计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低通滤波，以方波级数展开系数校正获得光谱信号的幅值，包括以下步骤：

a、检测控制系统接受上位机指令，获得采样周期m值；

b、控制ADC采样，采样频率大于等于n倍的信号频率，n≥10；

c、读取ADC采样值x(i)，判断m个整周期的起点k_j和终点k_j+1，其满足：

x(k_t-1)≤0且x(k_t+1)≥0(1)

其中：i＝1,2，…，k_m+1+1，为采样点的顺序号；j＝1,2，…，m，为采样周期的顺序号；t＝j或j+1；

d、绝对值累计平均，计算每个整周期内信号的绝对值累计平均值：

$I\left(j\right)=\frac{1}{k_{j+1}-k_j}\underset{i=k_j}{\overset{k_{j+1}-1}{\Σ}}\left|x\left(i\right)\right|---\left(2\right)$

e、滤波校正，计算当前波长点信号的幅值A：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}I\left(j\right).---\left(3\right)$

有益效果：本发明采用一种数字整周期累积解调的检测方法实现幅度调制信号尤其是扫描型光谱仪的光谱信号的检测。光栅扫描型光谱仪的检测系统以微控制器单元控制高速模数转换单元，实现了数字化积分、滤波，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，减少了中间调试环节，简化电路、降低电路系统调试难度、检测精度高；与已有的数字解调采集系统相比，不需要CPLD的分频控制保证采样与信号的倍频关系，而且算法简单，没有平方、开方的计算，电路简单、成本低、速度快。

附图说明；

图1为简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪结构框图

图2为附图1中检测控制系统结构框图

图3为附图1中驱动控制电路结构框图

图4为一种简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪及检测方法流程图

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：

一种简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪，是由上位机经检测控制系统、驱动控制电路、光源、调制器和单色仪与驱动控制电路连接，驱动控制电路与调制器连接，单色仪经取样器和传感器模块与检测控制系统连接构成。

检测控制系统是由微控制器单元分别经数据线和信号线与高速模数转换器单元连接构成。

驱动控制电路是由检测控制系统分别经稳速电路、稳压控制电路、步进电机驱动电路和限位检测电路分别与切光器、光源和单色仪连接构成。

简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪的检测方法，是微控制器单元采用数字整周期绝对值累计平均的方法，对每个波长点的光谱幅度调制信号进行解调，实现光谱信号强度的检测，以正向过零判断整周期起点检测保证检测信号与参考信号同相且初始相位为0，以整周期信号绝对值累计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低通滤波，以方波级数展开系数校正获得光谱信号的幅值，包括以下步骤：

a、检测控制系统接受上位机指令，获得采样周期m值；

b、控制ADC采样，采样频率大于等于n倍的信号频率，n≥10；

c、读取ADC采样值x(i)，判断m个整周期的起点k_j和终点k_j+1，其满足：

x(k_t-1)≤0且x(k_t+1)≥0(1)

其中：i＝1,2，…，k_m+1+1，为采样点的顺序号；j＝1,2，…，m，为采样周期的顺序号；t＝j或j+1；

d、绝对值累计平均，计算每个整周期内信号的绝对值累计平均值：

$I\left(j\right)=\frac{1}{k_{j+1}-k_j}\underset{i=k_j}{\overset{k_{j+1}-1}{\Σ}}\left|x\left(i\right)\right|---\left(2\right)$

e、滤波校正，计算当前波长点信号的幅值A：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}I\left(j\right).---\left(3\right)$

如图1所示，简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪，是由上位机经检测控制系统、驱动控制电路、光源、调制器和单色仪与驱动控制电路连接，驱动控制电路与调制器连接，单色仪经取样器和传感器模块与检测控制系统连接构成。

如图2所示，检测控制系统是由微控制器单元分别经数据线和信号线与高速模数转换器单元连接构成。检测控制系统，由微控制器单元和高速模数转换器单元组成。微控制器单元通过控制信号线、驱动控制电路与单色仪连接，通过通讯接口与上位机连接，通过采样控制信号线和数据线与高速模数转换器单元连接，高速模数转换器单元通过检测信号线与传感器模块连接。

简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪采用数字整周期累积解调的检测方法，对光谱仪每个扫描波长点的采样信号进行简化的数字锁相放大处理，以正向过零判断整周期起点检测，保证锁相放大器中的检测信号与参考信号同频同相，以整周期信号绝对值累计实现锁相放大器中相敏检波的检测信号与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低通滤波，以校正系数π/2校正实现光谱信号幅值的检测，处理步骤如下：

a、检测控制系统接受上位机指令，获得采样周期m值；

b、控制ADC采样，采样频率大于等于n倍的信号频率，n≥10；

c、读取ADC采样值x(i)，判断m个整周期的起点k_j和终点k_j+1，其满足：

x(k_t-1)≤0且x(k_t+1)≥0(1)

其中：i＝1,2，…，k_m+1+1，为采样点的顺序号；j＝1,2，…，m，为采样周期的顺序号；t＝j或j+1；

d、绝对值累计平均，计算每个整周期内信号的绝对值累计平均值：

$I\left(j\right)=\frac{1}{k_{j+1}-k_j}\underset{i=k_j}{\overset{k_{j+1}-1}{\Σ}}\left|x\left(i\right)\right|---\left(2\right)$

e、滤波校正，计算当前波长点信号的幅值A：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}I\left(j\right).---\left(3\right)$

本发明针对光栅扫描型光谱仪，提供一种简化了数字锁相放大器，采用数字整周期累积解调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微控制器单元、高速模数转换器单元2个部分。

高速模数转换器单元与光谱仪的传感器模块、微控制器单元相连，接收微控制器单元的采样信号控制其采样频率大于等于n倍的信号频率(n≥50)，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。

微控制器单元分别与上位机、分光系统、微控制器单元、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，同时控制光源的驱动控制电路、调制器的稳速电路、单色仪的扫描工作，并接收采样数据x(i)(i＝1,2，…，k_m+1+1)进行整周期累积解调，得出检测信号的幅值，运算结果通过通讯接口传递给上位机。其中n、m根据微控制器单元的存储和计算能力及光谱仪对检测速度的要求，尽量选取大的数值。

整周期累积解调的简化数字锁相放大器，以整周期起点检测保证锁相放大器中的检测信号与参考信号同频同相，以整周期信号绝对值累计实现锁相放大器中相敏检波的检测信号与2个90°相差的方波参考信号的乘法和积分，以算数平均运算实现低通滤波，以方波级数展开系数校正实现光谱信号幅值的检测。

光栅扫描型光谱仪器利用调制器将光源产生的复合光调制为周期的光信号，此周期信号的幅值与光源的光强成正比。调制后的光信号由单色仪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：单色仪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调制器进行稳速控制。

其中的检测控制系统采用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2个部分。

微控制器单元选用MCU、DSP、ARM或FPGA等芯片，兼顾控制、运算和通讯的功能。通过接口接收上位机(PC机、平板电脑、手机等)的控制指令，控制单色仪的光栅扫描、高速模数转换器单元进行信号采集，实现整周期累计算法，并将结果送入上位机。

高速模数转换器单元选用16位模数转换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。由微控制器单元的采样信号进行控制其采样频率f_c大于等于信号频率f_s的n倍(n≥50)，即f_c≥nf_s。

微控制器单元通过正向过零判断选取数字信号序列x(i)(i＝1,2，…，N>nm)中的m个整周期数据(m为取样周期数，为正整数，由上位机控制指令给定)，进行整周期累积解调计算，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。整周期累积解调计算采用锁相放大器原理，将每个信号周期的采样数据进行绝对值累加平均，m个周期的算术平均、校正后，计算得信号幅值A。这一过程在微控制器中以c语言编程、编译的可执行程序实现，简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪的检测方法的流程如图4所示。

具体步骤如下：

a、检测控制系统接受上位机指令，获得采样周期m值；

b、控制ADC采样，采样频率大于等于n倍的信号频率，n≥10；

c、读取ADC采样值x(i)，判断m个整周期的起点k_j和终点k_j+1，其满足：

x(k_t-1)≤0且x(k_t+1)≥0(1)

其中：i＝1,2，…，k_m+1+1，为采样点的顺序号；j＝1,2，…，m，为采样周期的顺序号；t＝j或j+1；

d、绝对值累计平均，计算每个整周期内信号的绝对值累计平均值：

$I\left(j\right)=\frac{1}{k_{j+1}-k_j}\underset{i=k_j}{\overset{k_{j+1}-1}{\Σ}}\left|x\left(i\right)\right|---\left(2\right)$

e、滤波校正，计算当前波长点信号的幅值A：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}I\left(j\right).---\left(3\right)$

Claims (4)

1.一种简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪，其特征在于，是由上位机经检测控制系统、驱动控制电路、光源、调制器和单色仪与驱动控制电路连接，驱动控制电路与调制器连接，单色仪经取样器和传感器模块与检测控制系统连接构成。

2.按照权利要求1所述的简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪，其特征在于，检测控制系统是由微控制器单元分别经数据线和信号线与高速模数转换器单元连接构成。

3.按照权利要求1所述的简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪，其特征在于，驱动控制电路是由检测控制系统分别经稳速电路、稳压控制电路、步进电机驱动电路和限位检测电路分别与切光器、光源和单色仪连接构成。

4.按照权利要求1所述的简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪的检测方法，其特征在于，微控制器单元采用采用数字整周期绝对值累计平均的方法，对每个波长点的光谱幅度调制信号进行解调，实现光谱信号强度的检测，以正向过零判断整周期起点检测保证检测信号与参考信号同相且初始相位为0，以整周期信号绝对值累计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低通滤波，以方波级数展开系数校正获得光谱信号的幅值，包括以下步骤：

a、检测控制系统接受上位机指令，获得采样周期m值；

b、控制ADC采样，采样频率大于等于n倍的信号频率，n≥10；

c、读取ADC采样值x(i)，判断m个整周期的起点k_j和终点k_j+1，其满足：

x(k_t-1)≤0且x(k_t+1)≥0(1)

其中：i＝1,2，…，k_m+1+1，为采样点的顺序号；j＝1,2，…，m，为采样周期的顺序号；t＝j或j+1；

d、绝对值累计平均，计算每个整周期内信号的绝对值累计平均值：

$I\left(j\right)=\frac{1}{k_{j+1}-k_j}\underset{i=k_j}{\overset{k_{j+1}-1}{\Σ}}\left|x\left(i\right)\right|---\left(2\right)$

e、滤波校正，计算当前波长点信号的幅值A：

$A=\frac{\mathrm{\π}}{2}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}I\left(j\right).---\left(3\right)$