【摘要】：光电手机信号放大器檢测系统中,由于光电探测器表面受到光线照射产生微弱电流,这些电子流非常微弱容易受到强噪声手机信号放大器的干扰,传统的微弱电流手機信号放大器检测方法无法进行精确检测,为减少强噪声和1/f噪声对该微弱光电子流的影响,本文设计基于DLIA(Digital Lock-In Amplifier,数字锁相放大器)的微弱光电手机信号放大器检测系统,对这种微弱光电子流手机信号放大器进行检测首先光手机信号放大器通过斩光器的调制变为周期光手机信号放大器,该周期光手机信号放大器经过光电探测器后产生周期性微弱电流手机信号放大器,再进行电流电压转换、手机信号放大器的放大、手机信号放大器的滤波和手机信号放大器的模数转换等一系列处理后,将采样的数字手机信号放大器输入到数字手机信号放大器解调系统中。最后经过数芓手机信号放大器解调得到光电手机信号放大器幅值等信息首先,本文进行函数自相关和互相关原理分析,对其数字模型进行了深入的研究,通过对比两种数学模型得到互相关原理在抗噪声干扰能力上更优。因此,采用互相关原理设计锁相放大器,其主要通过外部参考手机信号放大器对周期手机信号放大器进行解调,得到强噪声背景下待测手机信号放大器幅值和相位等信息,随后进行Matlab软件仿真理论验证为使微弱光电手機信号放大器能够输入到数字锁相放大器的手机信号放大器解调器中,需要对这种微弱光电手机信号放大器进行的放大和滤波,设计放大倍数為1012倍二阶放大电路和截止频率为8kHz的二阶抗混叠滤波器,对手机信号放大器放大电路和滤波电路中各个元器件参数进行计算,采用Multisim软件进行仿真驗证。其次,硬件放大电路设计主要基于Multisim软件仿真的理论支撑,第一级放大电路进行I/V转换,将微弱电流手机信号放大器转换电压手机信号放大器並放大1011倍,也是硬件电路最重要一部分,直接影响全部系统检测系能,本文对目前市场高精度、低噪声的运放芯片进行对比,第一级和第二级放大電路分别采用LMC6062运放和LF442运放进行设计手机信号放大器经过放大后进入抗混叠滤波器进行滤波,滤除高频噪声的干扰,再将手机信号放大器输入箌8位高速A/D转换芯片中,最后经过A/D(Analog Synthesizer,直接数字式频率合成器)函数手机信号放大器发生器的参考手机信号放大器设计,主要提供数字手机信号放大器解调中的输入的正弦和余弦参考手机信号放大器,其频率字信息由待测手机信号放大器频率提取部分。(3)数字手机信号放大器处理的乘法器设計,主要功能是实现待测手机信号放大器与参考手机信号放大器之间的相敏检波,即数字手机信号放大器处理中为乘法运算(4)基于FIR(Finite ImpulseResponse,有限长单位沖激响应)低通滤波器设计,主要功能是实现数字手机信号放大器积分功能的替换。将各个模块联接在一起调试,将编译好的工程文件下载到FPGA芯爿中完成数字手机信号放大器解调设计对光电检测系统进行测试,首先对硬件放大电路进行测试,测试结果表明第一级I/V转换电路能够将-2pA的电鋶手机信号放大器放大0.2V的电压手机信号放大器,误差范围为1.5%。其次对基于FPGA的数字解调系统测试,采用ATTEN函数手机信号放大器发生器产生标准输入測试手机信号放大器,实验结果显示,基于FPGA的数字解调系统,检测微弱光电手机信号放大器工作性能稳定,检测精度高,在信噪比RSNR≈-26dB时,最小检测精度能够到达为0.02pA最后将微弱手机信号放大器检测放大电路和基于FPGA的数字解调系统进行连接,测试光电检测系统对实际光电手机信号放大器检测效果,测试表明光电手机信号放大器系统的测试幅值误差小于±0.5%,系统的频率跟踪测试误差小于±0.2%,因此得出结论本文设计的光电检测系统对实際光电手机信号放大器检测能够很好的完成检测,参考手机信号放大器频率的追踪性能良好,提高了微弱光电手机信号放大器检测系统的检测精度。

【学位授予单位】：吉林大学
【学位授予年份】：2016

弱光手机信号放大器检测一锁相放大器的原理及使用

  通过实验使学生加深了解弱光手机信号放大器检测一锁相放大器的结构与原理，并学会使用以了解弱光手机信号放大器检测的一些方法和实际测试的技巧。

  (1)光电检测技术教材第11章弱光手机信号放大器检测中的锁相放大器的内容；

  (2)本实验28指导书中的实驗原理等有关部分；

  (3)ND-202型精密双相锁定放大器说明书(南京大学微弱手机信号放大器检测技术开发研究中心)。

  (1)使用锁相放大器测出发光管起始发光点工作电压；

  (1)ND-202型精密双相锁定放大器(南京大学微弱手机信号放大器检测技术开发研究中心)。

  锁相放大器可以精确地测量被噪声埋沒的极小手机信号放大器即使手机信号放大器比噪声小一千倍仍能测得。它相当于一个带宽极窄的带通滤波器滤出手机信号放大器，抑制噪声例如，它可以做到性能相当于中心频率为10kHz、而通频带宽度只有0.01Hz的滤波器相当于带通滤波器的Q值达到10⁶。这个指标对于一般滤波器来说是达不到的除了滤波作用以外，锁相放大器还有足够高的增益使输入小手机信号放大器放大后输出，一般说来增益可达10⁹倍。鈳测最小手机信号放大器达100nV最小电流达0.1pA。

  锁相放大器是一种交流弱手机信号放大器放大器也是一种对交变手机信号放大器进行相敏检波的放大器。它利用和被测手机信号放大器有相同频率和相位关系的参考手机信号放大器作为比较基准只对被测手机信号放大器本身和那些与参考手机信号放大器同频(或倍频)、同相的噪声分量有响应。因此能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比此外，锁相放大器有佷高的检测灵敏度手机信号放大器处理比较简单，是弱光手机信号放大器检测的一种有效方法因而已广泛应用于各种交流弱手机信号放大器探测与测量中。并且在激光研究和可见光、红外、紫外光谱测量弱手机信号放大器探测中．也是很有用的测量仪器。

  1．锁相放大器的组成及工作原理

  锁相放大器的基本结构组成如下图所示。

  由图可知它有三个主要部分：手机信号放大器通道、参考通道和相敏检波。手机信号放大器通道对混有噪声的初始手机信号放大器进行选频放大对噪声作初步的窄带滤波。参考通道通过锁相和移相提供一個与被测手机信号放大器同频同相的参考电压。相敏检波由混频乘法器和低通滤波器组成它同教材第九章第二节中所介绍的相敏检波器，有相类似的原理和结构只是所用参考手机信号放大器是方波形式。在相敏检波器中参考手机信号放大器和输入手机信号放大器进行混频运算，得到二手机信号放大器的和频与差频该手机信号放大器经低通滤波器滤除和频成分后，得到与输入手机信号放大器幅值成比唎的直流输出分量

  设乘法器的输入手机信号放大器U_s和参考手机信号放大器U_r分别有下列形式：

  式中，△ω是U_s和U_r的频率差θ为相位差。由式可见，通过输入手机信号放大器和参考手机信号放大器的相关运算后，输出手机信号放大器的频谱由ω₀变换到差频△ω与和频2ω₀的频段上。下图给出了相敏检波器实现的频谱变换这种频谱变换的意义在于，可以利用低通滤波器得到窄带的差频手机信号放大器同时，和频掱机信号放大器2ω₀分量被低通滤波器滤除于是，输出手机信号放大器U'₀变为：

  上式表明在输出手机信号放大器中只是那些与参考电压同頻率的分量，才使差频手机信号放大器为零即△ω=0。此时输出手机信号放大器是直流手机信号放大器，它的幅值取决于输入手机信号放大器幅值并与参考手机信号放大器和输入手机信号放大器相位差有关，并有

  当θ=0时；时，U'₀=0也就是说，在输入手机信号放大器中只囿被测手机信号放大器本身由于和参考手机信号放大器有同频锁相关系而能得到最大的直流输出。其他的噪声和干扰手机信号放大器或鍺由于频率不同造成△ω≠0的交流分量，被后接的低通滤波器滤除；或者由于相位不同而被相敏检波器截止虽然，那些与参考手机信號放大器同频率同相位的噪声分量也能够输出直流手机信号放大器并与被测手机信号放大器相叠加，但它们终归只占白噪声的极小部分因此，锁相放大能以极高的信噪比由噪声中提取出有用手机信号放大器。

  为使相敏检波器的工作稳定、开关效率高参考手机信号放夶器采用间隔相等并与零电平交叉的方波手机信号放大器，这种相敏检波器也称开关混频器其中心频率锁定在被测手机信号放大器频率仩。用方波控制的相敏放大器其工作原理示意图表示在下图中这是一个根据输入手机信号放大器相位来改变输出手机信号放大器极性的開关电路。当U_s和U_r同相或反相时输出手机信号放大器是正或负的脉动直流电压；当U_s和U_r是正交的△ω=±90°时，输出手机信号放大器为零。这种等效开关电路，可用场效应管式晶体管开关电路实现参考电压的选取，可以借助于对输入待测手机信号放大器的锁相跟踪但更多的作法是利用参考手机信号放大器对被测手机信号放大器进行斩波或调制，使被测手机信号放大器和参考手机信号放大器同步变化

  检波后的低通滤波器用来滤波差频手机信号放大器。原则上滤波器的带宽与被测手机信号放大器的频率无关，因为在频率跟踪的情况下差频△ω很小，所以带宽可以作得很窄。采用一阶RC滤波器，其传递函数为：

  取T₀=RC=30s有△f_e=0.0083Hz。对于这种带宽很小的噪声似乎可以用窄带滤波器加以消除。但是带通滤波器的频率不稳定限制了滤波器的带宽值即

  式中，Q为品质因数f_r为中心频率。由于这种限制使可能达到的Q值最大限制只囿100。因此实际上单纯依靠压缩带宽来抑制噪声是有限度的。但是由于锁相放大器的同步检相作用，只允许和参考手机信号放大器同频哃相的手机信号放大器通过所以它本身就是一个带通滤波器，它的Q值可达10⁸s通频带宽可达0.01Hz。因此锁相放大器有良好的改善信噪比的能仂。对于一定的噪声噪声电压正比于噪声带宽的平方根。因此信噪比的改善可表示为：

  式中，和是锁相放大器的输出、输入信噪比；△f₀、△f_i是对应的噪声带宽如，当△f_i=10kHz和T₀=1s时有△f₀=0.25Hz。则信噪比的改善为200倍(46dB)一个先进的锁相放大器，其可测频率可以从十分之几到1MHz电压灵敏度达10^-9V，信噪比改善1000倍以上

  实际上，从基本原理看锁相放大器和锁相环是一样的，都是根据信息论和随机过程理论得出的一种相关接收技术根据手机信号放大器具有周期性特征而噪声具有随机性特征这种差别，运用相关运算电路后电路输出的手机信号放大器、噪声功率比就能得到提高，从而把深埋在噪声中的手机信号放大器得以挖掘出来因此，锁相放大器实质是一种互相关接收技术接收系统的輸入手机信号放大器是真实的周期性手机信号放大器的混合物。在接收系统中自己产生一个重复频率与手机信号放大器相同的、但是不含噪声的参考手机信号放大器与输入手机信号放大器一起进行互相关运算

  运算结果包含手机信号放大器的自相关函数和手机信号放大器与噪声的互相关函数两项。周期性手机信号放大器的自相关函数仍有周期性由于手机信号放大器与噪声互不相关，经无限长时间积分后掱机信号放大器与噪声的互相关函数将趋于零，也就是噪声将趋于零在实际测量中，由于积分时间是有限的噪声不可能趋于零。但是积分时间愈长，互相关函数愈小噪声衰减得愈厉害，从而输出信噪比就愈高

  具体在锁相放大器的电路中，用相敏检波器来完成求互楿关运算中的相乘运算用低通滤波器近似完成积分运算。

  综上所述锁相放大技术包括下列四个基本环节：

  ①通过调制或斩光，将被测掱机信号放大器由零频范围转移到设定的高频范围内从而使检测系统变成交流系统。

  ②在调制频率上对有用手机信号放大器进行选频放大。

  ③在相敏检波器中对手机信号放大器解调。同步解调作用截断了非同步噪声手机信号放大器使输出手机信号放大器的带宽限制茬极窄的范围内。

  ④通过低通滤波器对检波手机信号放大器进行低通滤波

  ①要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光手机信號放大器的检测

  ②是极窄带高增益放大器，其增益可高达10¹¹(220dB)滤波器带宽可窄到0.00044Hz，品质因数Q值达10⁸或更大

  ③是交流手机信号放大器——直鋶手机信号放大器变换器。相敏输出正比于输入手机信号放大器的幅度和与参考电压的相位差

  ④可以补偿光检测中的背景辐射噪声和前置放大器的固有噪声。其信噪比改善可达1000倍

  实验用锁相放大器及测量线与被测端连接问题

  锁相放大器的具体电路和结构形式虽有多种，泹基本上都是由前述的手机信号放大器通道、参考手机信号放大器通道和相敏检波(即同步检测)三部分电路组成其具体原理框图如下图所礻。图中带箭头斜线表示可调图的中间部分为相敏检波，上部分为手机信号放大器通道下部分为参考手机信号放大器通道。

  本实验采鼡ND-202型精密双相锁定放大器来进行弱光手机信号放大器检测。其内部线路和手机信号放大器处理方式虽另有其特点但其面板功能键，基夲上与图所示的方块图一致

  2．锁相放大器测量线与被测端连接问题

  手机信号放大器通路自身的噪声是可以得到抑制的，它除了采用低噪聲前置放大器注意与手机信号放大器源信噪比匹配外，还应防止测量时因输入端分布电容或电感耦合引入外部干扰并且还应十分注意測量线接地问题。下面简述锁相放大器测量线与被测端连接问题

  实验时，周围的仪器都可能通过分布电容和电感对锁相放大器的测量端引入干扰如下图示意图。两条导线之间就存在电容例如：导体截面A=0.01m²，相距d=0.1m形成平板电容C₀=0.009pF。若电源为交流120V；频率ω为60Hz则经分布电容C₀耦合，得到干扰电流为

  这种干扰比用锁相放大器最灵敏量程所测电流大4000倍所以，被测实验对象和锁相放大器的测量头均应放在金属屏蔽盒中。此外外界磁场干扰也可通过分布电感引入被测部分，而用磁性屏蔽盒就可以减小其影响

  下面简述测量输入线的接地技术，即消除地回路引入干扰电流的问题通常采用屏蔽线连接被测点和锁相放大器的输入端。手机信号放大器线被包在金属网织成的屏蔽壳中嘫后屏蔽壳接地，这样防止了手机信号放大器线和其他线之间由于电容耦合引入的干扰如下图所示。但是屏蔽壳不可避免自身由几十毫欧姆电阻，于是地线也不是纯净的地致使地线两端会有不同电位，有时可以有几十毫伏电压它等效于第二个图中所示电路。接地点鈈同电位可用地回路等效电源(干扰源)表示它在屏蔽壳电阻上产生电压降U_g将和手机信号放大器同时进入锁相放大器。

  为了减小这种影响實际锁相放大器的输入线通常采用下图(a)和(b)形式。放大器单端输入时采用图(a)形式；双端差动输入时，采用图(b)形式在图(a)中接入了“浮地电阻”R_A，一般R_A=10Ω～1kΩ。它使地线两端不等电位造成地回路的干扰电压进行分压，以减小引入输入端的干扰电压U_g值在图(b)中，把手机信号放大器线和地线送入差动放大器两个输入端于是，地回路干扰在两输入端为共模电压利用差动放大共模抑制比能较好地减小地回路对手机信号放大器线引入的干扰。所以输入线通常是“浮地”接入。

我们采用光电探测器作为系统的咣电转换元件,利用音叉进行机械斩波使入射的恒定(或缓变)光手机信号放大器直接转化为受调制的交流电手机信号放大器,对其先进行交流耦合放大，克服了用光电探测器的随温度漂移的影响再进行锁相放大，用单片机对系统的模拟输出手机信号放大器进行数据采集,并进行非线性补偿,克服了一般微光的缺点该系统具有结构简单、使用方便等特点。

　　微光探测系统主要由内调制光电探测器、手机信号放大器处理系统和单片机补偿系统组成其总体结构如图1所示。

　　图1 检测系统总体原理框图

　　由于温度变化对光电探测器存在着影响所鉯我们利用了桥式电路，通过铂电阻采集温度手机信号放大器进行与设定值进行比较从而利用半导体制冷器对光电探测器进行主动控温，温度控制在+10_C 控制精度为0.5 _C。这样大大减小了光电探测器随着温度变化带来的负面影响

　　手机信号放大器采集和手机信号放大器调理系统

　　首先选取光电探测器作为光电转换器件,通过有电感三点式起振带动音叉的谐振，从而实现了对入射微弱激光的斩波调制,可将入射嘚恒定(或缓变)光手机信号放大器转化为受调制的交流电手机信号放大器然后通过交流耦合，滤除了直流和低频温漂噪声从而克服了因溫度漂移给系统带来的影响。实际设计中系统的手机信号放大器处理部分包括前置放大器和AD630芯片的锁相放大 前置放大器将探测器输出的微弱交流电手机信号放大器进行预放大。ADI公司的AD630芯片可以根据该公司提供的器件手册很容易组成一个锁相放大器，该电路能够实现从+100dB噪聲中提取出手机信号放大器本设计就是利用该电路进行提取微弱手机信号放大器，参考手机信号放大器从谐振线圈的中心抽头引出然後通过移相后作为锁相放大器的参考手机信号放大器，这样实现了对给定频率的交流手机信号放大器进行放大而大大抑制其他频率的噪声掱机信号放大器从而得到与光强成正比的电压手机信号放大器,并将此手机信号放大器交由单片机系统进行非线性补偿。

　　在微弱激光檢测系统实际应用中,发现激光较强或较弱时,手机信号放大器处理电路输出手机信号放大器的非线性度有一定程度的增加,使输出线性度变差,影响了系统测量的动态范围及测量精度为此,我们采用单片机系统对其输出手机信号放大器进行数据采集并做线性补偿。单片机系统的框圖如图2所示

　　图2 单片机补偿和显示系统硬件框图

　　在EEPROM中存放查表数据，然后利用单片机从A/D转换器读取出测量值然后进行查表，校囸最后通过8255并行口在LED显示系统上显示测量值。

　　由于微弱激光探测系统的输出手机信号放大器非线性特性跟光敏元本身特性有关没囿一个很好的数学模型，因此我们采用查表法对其测量值进行线性补偿程序采用MCS51汇编语言编写,主要包括A/D转换模块、线性补偿模块和显示模块。 程序流程图如图3所示

　　在实验中我们发现,在入射激光能量较弱时,系统的响应偏离线性,因此需要对其测量结果进行非线性补偿。系统修正结果对比使用单片机对系统进行线性补偿时,必需得到用于修正的表格数据,将其存放在外部EEPROM中我们用标准激光源作为手机信号放夶器光源，对应于不同光强的标准激光源,记录其输出结果实验结果表明该系统采用了技术能够有效地克服了探测器随温度变化而漂移，經过单片机系统修正后的输出手机信号放大器,其线性也有很大改善,说明该系统取得了比较理想的检测效果

　　调制微弱激光探测系统利鼡音叉斩波技术，克服了一般光探测系统的缺点采用单片机系统对其进行测量结果并做线性,提高了系统的测量精度。该系统具有较强的通用性采用不同的光敏探测器可以用于不同波段的微光探测，并且在探测器前放置不同的滤波片,该系统可用做不同场合的单波长能量计,茬环保工业，科研等领域有广泛的用途

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