CN108775959B - 一种消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法，是针对光谱仪的机械调制信号存在频率波动，引起锁相放大电路的参考信号与被测信号不同频同相，进而引起光谱检测误差的问题，提出基于信号同源的消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法：包括调测系统延时周期数、调频率同步、调偏心、调同相。通过调整参考信号机械滞后，检测信号的移相延时，使参考信号机械延时与检测信号的电路延时相等，则锁相放大电路的两路输入信号为调制器同一位置的调制信号，即同源信号，从而消除调制频率波动引起的光谱检测误差。

Description

一种消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法

技术领域

本发明涉及一种光栅扫描型光谱仪，尤其是采用有频率波动的机械调制及锁相放大电路进行解调时，存在信号调制频率误差的光谱仪。

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。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)进行同步积分、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。

在同步积分之前，两路信号的路径不同：检测信号在电路中经过带通滤波、放大和移相，参考信号经过整形。其中移相电路的作用是增加检测信号的延时，使二者同相。

光谱仪的信号调制采用机械调试，调制器由直流电机和与其同轴的调制盘组成。调制盘有均布的通光孔，在电机的带动下进行光的调制。当电机稳速转动时，调制信号的频率f为一定值。由于调制器的制造和安装误差，调制信号的频率存在周期波动性误差Δf，波动的周期是调制盘的通光孔个数。调制信号的频率波动将引起光谱仪锁相放大的检测信号和参考信号无法满足同频同相的要求，使光谱信号测量产生误差，此为频率误差。

对于调制信号频率波动引起的误差，人们提出采用数字解调的方法解决，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，可适应信号变化的频率，但要求作为参考信号的相位差为90°的两路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。

CN103604500公开了“光栅扫描型光谱仪的检测系统及检测方法”，检测系统以DSP微控制器的数字化积分和平均滤波算法实现数字锁相放大。它以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，但存在稳速误差产生的信号和采样频率的波动，进而引起检测信号测量数字量的噪声较大。

CN105181140公开了“简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪及检测方法”，以整周期内信号采集数据的绝对值平均计算的方法对数字锁相放大器进行了简化，光谱仪检测系统由微控制器单元和高速模数转换器单元构成，微控制器单元控制高速模数转换单元，电路和算法简单，检测速度快、精度高。但由于检测信号本身存在频率波动以及ADC采样频率的限制，会引起每个信号周期最后采样点的取舍误差，虽然取多个周期平均，但检测信号的测量结果仍然存在较大的噪声。

CN105628205公开了“调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统及检测方法”，针对采用整周期信号绝对值平均的简化数字锁相放大器，提供一种同步测频修正的数字锁相放大器以减小调幅信号解调检测的噪声。

可见，现有的方法以数字锁相放大器和算法减小或消除了频率噪声，但对于如何减小或消除在模拟锁定放大电路中存在的频率噪声，尚无人提出有效的方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有光谱仪的光调制信号存在频率波动时，锁相放大电路的参考信号与检测信号不同频同相所引起光谱检测误差的问题，提供一种两路信号的同频同相调整方法。

本发明的思想是：在光谱仪中为了不遮挡光路，参考信号的检测位置与检测信号的狭缝位置要错开θ角，通常是在调制盘转动时滞后于狭缝位置，这样参考信号相对检测信号在进入电路系统前有t0(＝θm0/(2πf))的机械滞后时间，即检测信号相对参考信号有一个初始超前时间t0。而且检测信号和参考信号在调制器的不同位置，二者具有相同的频率波动；在相同时间内，两路信号每个信号周期的频率对比，二者相差n0的周期数。

检测信号在进入锁相放大电路之前，经过带通滤波、放大和移相，产生电路延时t1，参考信号进入锁相放大电路之前只经过整形，没有附加的延时。

若t0＝t1，检测信号的电路延时与参考电路的机械滞后相等。不满足t0＝t1时，可调整参考信号的检测位置，改变t0，使t0＝t1成立。此时进入同步积分的两路信号来源于调制器的同一位置，为同源信号，从而保证两路信号同频同相，消除了调制频率的误差。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法，包括以下步骤：

a、测系统延时周期数：

a1、对送入锁相放大电路中的参考信号和被测信号，同时进行每个信号周期的连续频率测量，测量的周期数m大于调制盘的通光孔数m0，得两组周期分布的频率值f1(i)和f2(i)，i＝1,2，…，m；

a2、若f1和f2的周期不明显，调大机械调制器的安装偏心，直至f1和f2的周期明显；

a3、此时f1(i)和f2(i)具有相同的周期m0，在相位上差n个点，n为检测信号相对参考信号的系统延时周期数；

b、调频率同步：改变参考信号的检测位置，沿调制转动的正方向移动n个通光孔位置，从而使两路信号的频率f1和f2没有相差，即f1和f2同步；

c、调偏心：

c1、按步骤a对两路信号再一次进行单周期连续测频，观察f1和f2，此时f1和f2同步，没有相差，但二者的波动量Δf1和Δf2较大；

c2、调小机械调制器的安装偏心，Δf1和Δf2随之减小，直至f1和f2无明显周期性；

d、调同相：调整解调电路中移相电路的移相电阻阻值，使两路同源信号信号同频同相。

光谱仪是由光源经调制器、单色仪、取样器、探测器及转换电路、解调放大电路和检测控制系统与上位机连接，检测控制系统与单色仪连接构成。

所述的解调放大电路是由带通滤波放大经移相电路与同步积分电路连接，整形电路分别连接同步积分电路和相敏检波器，相敏检波器经滤波电路与放大器连接构成。

所述的调制器由直流电机和与其同轴的调制盘组成，调制盘上设有均布的通光孔，调制器置于单色仪的入射狭缝前，入射狭缝中心处于调制盘的通光孔圆周上，在与狭缝滞后的位置安装参考信号的检测电路；利用双路信号同时同步连续周期的频率测量，确定检测信号相对参考信号的系统延时周期n，通过调整参考信号的检测位置，调整检测信号移相电路的移相电阻阻值后，两路信号为同频同相的同源信号。

有益效果：本发明采用一种锁相放大电路的参考信号与被测信号的同频同相调整方法。通过调整参考信号机械滞后，使之与检测信号的电路延时相等，则进入锁相放大电路的两路信号为调制器同一位置的调制信号，即同源信号，从而消除调制频率波动引起的光谱检测误差。

附图说明

图1一种消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法流程图

图2光栅扫描型光谱仪结构框图

图3调制器结构图

图4是图3的右视图

图5解调放大电路的框图

图6移相电路图

1直流电机，2偏心调整螺钉，3调制盘，4分光系统入射狭缝，5参考信号检测的安装位置，6光电对管

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法，包括以下步骤：

a、测系统延时周期数：

a1、对送入锁相放大电路中的参考信号和被测信号，同时进行每个信号周期的连续频率测量，测量的周期数m大于调制盘的通光孔数m0，得两组周期分布的频率值f1(i)和f2(i)，i＝1,2，…，m；

a2、若f1和f2的周期不明显，调大机械调制器的安装偏心，直至f1和f2的周期明显；

a3、此时f1(i)和f2(i)具有相同的周期m0，在相位上差n个点，n为检测信号相对参考信号的系统延时周期数；

b、调频率同步：改变参考信号的检测位置，沿调制转动的正方向移动n个通光孔位置，从而使两路信号的频率f1和f2没有相差，即f1和f2同步；

c、调偏心：

c1、按步骤a对两路信号再一次进行单周期连续测频，观察f1和f2，此时f1和f2同步，没有相差，但二者的波动量Δf1和Δf2较大；

c2、调小机械调制器的安装偏心，Δf1和Δf2随之减小，直至f1和f2无明显周期性；

d、调同相：调整解调电路中移相电路的移相电阻阻值，使两路同源信号信号同频同相。

所述的光谱仪是由光源经调制器、单色仪、取样器、探测器及转换电路、解调放大电路和检测控制系统与上位机连接，检测控制系统与单色仪连接构成。

所述的解调放大电路是由带通滤波放大经移相电路与同步积分电路连接，整形电路分别连接同步积分电路和相敏检波器，相敏检波器经滤波电路与放大器连接构成。

所述的调制器由直流电机和与其同轴的调制盘组成，调制盘上设有均布的通光孔，调制器置于单色仪的入射狭缝前，入射狭缝中心处于调制盘的通光孔圆周上，在与狭缝滞后的位置安装参考信号的检测电路；利用双路信号同时同步连续周期的频率测量，确定检测信号相对参考信号的系统延时周期n，通过调整参考信号的检测位置，调整检测信号移相电路的移相电阻阻值后，两路信号为同频同相的同源信号。

光谱仪如图2所示，由光源、调制器、单色仪、取样器、探测器及转换电路、解调放大电路、检测和控制系统等几个部分组成。单色仪是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，此为检测信号。

光谱仪的信号调制采用机械调试，调制器如图3所示，由直流电机1和与其同轴的调制盘3组成。调制盘有m0个均布的通光孔，在电机的带动下进行光的调制。当电机稳速转动时，调制信号的频率f为一定值。在调制盘通光孔圆周上的一个位置5用光电对管6及检测电路可获得与检测信号同频的方波信号，此为参考信号。

解调放大电路如图5所示，分别将检测信号进行滤波放大后、参考信号进行整形后进行锁相放大(同步积分、相敏检波、低通滤波、放大)后得到同频分量的幅值信号；检测系统对此信号进行模数转换后，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。从而有效地抑制噪声和谐波。

锁相放大电路中，检测和参考两路信号的路径不同：检测信号在解调放大电路中经过带通滤波放大和移相，参考信号经过整形。其中移相电路的作用是增加检测信号的延时，使二者同相。

由于调制器的制造和安装误差，调制信号的频率存在周期性波动性误差Δf，波动的周期是调制盘的通光孔个数。调制信号的频率波动将引起光谱仪锁相放大的检测信号和参考信号无法满足同频同相的要求，使光谱信号测量产生误差，此为频率误差。

光谱仪锁相放大电路参考信号的检测位置5是在调制盘通光孔圆周上的一个位置。在光谱仪中为了不遮挡光路，参考信号的检测位置5与检测信号进入光路的狭缝位置4要错开一个角度，通常是在调制盘转动时滞后于狭缝位置一个角度。这样参考信号相对检测信号在进入锁相放大电路前有一定的机械滞后时间，即检测信号相对参考信号有一个初始超前时间t0。而且检测信号和参考信号在调制器的不同位置，二者具有相同的频率波动；以相同时间内，2路信号每个信号周期的频率对比，二者相差一定的周期数。

检测信号在进入锁相放大电路之前，经过带通滤波、放大和移相，产生一定的电路延时t1，参考信号进入锁相放大电路之前只经过整形，没有附加的延时。

若t0＝t1，调整使检测信号的电路延时与参考电路的机械滞后相等。不满足时，可调整参考信号的检测位置，改变t0，使t0＝t1成立。此时进入同步积分的2路信号来源于调制器的同一位置，为同源信号，从而保证2路信号同频同相，消除了调制频率的误差。

实现该方法如图1所示流程，包括以下步骤：

a、测系统延时周期数：

对锁相放大电路的参考和检测2路信号，进行每个信号周期的同时连续周期的频率测量，测量的周期数m大于调制盘的通光孔数m0，得两组周期分布的频率值f1(i)和f2(i)，i＝1,2，…，m；若f1和f2周期不明显，可调大机械调制器的安装偏心(图4中的e)，直至f1和f2的周期明显。此时f1(i)和f2(i)具有相同的周期m0，在相位上差n个点，n为检测信号相对参考信号的系统延时周期数。n＝int((t1-t0)/T)，T为调制信号周期，取f1或f2均值的倒数。

b、调频率同步：

改变参考信号的检测位置，以调制转动方向为正方向，移动n个通光孔位置，即改变t0为t'0＝t0+nT。从而使两路信号的频率f1和f2没有相差，即f1和f2同步。

c、调小偏心，减小频率波动量：

按步骤a对两路信号再次进行单周期连续测频，观察f1和f2，此时f1和f2同步，没有相差，但二者的波动量Δf1和Δf2较大。调小机械调制器的安装偏心e，Δf1和Δf2将随之减小，直至f1和f2无明显周期性。

d、调同相：

用示波器观察两路信号，调整解调放大电路中移相电路(图4所示)的变阻器W1的阻值，即改变t1为t'1＝t1-[(t1-t0)-nT]＝t0+nT，使t'0＝t'1，使两路信号同相。

Claims (1)

1.一种消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法，其特征在于，光谱仪是由光源经调制器、单色仪、取样器、探测器及转换电路、解调放大电路和检测控制系统与上位机连接，检测控制系统与单色仪连接构成；

所述的解调放大电路是由带通滤波放大经移相电路与同步积分电路连接，整形电路分别连接同步积分电路和相敏检波器，相敏检波器经滤波电路与放大器连接构成；

所述的调制器由直流电机和与其同轴的调制盘组成，调制盘上设有均布的通光孔，调制器置于单色仪的入射狭缝前，入射狭缝中心处于调制盘的通光孔圆周上，在与狭缝滞后的位置安装参考信号的检测电路；利用双路信号同时同步连续周期的频率测量，确定检测信号相对参考信号的系统延时周期n，通过调整参考信号的检测位置，调整检测信号移相电路的移相电阻阻值后，两路信号为同频同相的同源信号；

消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法，包括以下步骤：

a、测系统延时周期数：

a1、对送入锁相放大电路中的参考信号和检测信号，同时进行每个信号周期的连续频率测量，测量的周期数m大于调制盘的通光孔数m0，得两组周期分布的频率值f1(i)和f2(i)，i＝1,2，…，m；

a2、若f1和f2的周期不明显，调大机械调制器的安装偏心，直至f1和f2的周期明显；

a3、此时f1(i)和f2(i)具有相同的周期m0，在相位上差n个点，n为检测信号相对参考信号的系统延时周期数；

b、调频率同步：改变参考信号的检测位置，沿调制转动的正方向移动n个通光孔位置，从而使两路信号的频率f1和f2没有相差，即f1和f2同步；

c、调偏心：

c1、按步骤a对两路信号再一次进行单周期连续测频，观察f1和f2，此时f1和f2同步，没有相差，但二者的波动量Δf1和Δf2较大；

c2、调小机械调制器的安装偏心，Δf1和Δf2随之减小，直至f1和f2无明显周期性；

d、调同相：调整解调电路中移相电路的移相电阻阻值，使两路同源信号信号同频同相。

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