畢業(yè)設(shè)計(jì)--鎖相放大器的labview實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　鎖相放大器的LabVIEW實(shí)現(xiàn)</p><p>　　Function realization of lock-in amplifier by LabVIEW programming</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　鎖相放大器（Lock-in Amplifier,LIA）是一種根據(jù)相關(guān)檢

2、測(cè)原理設(shè)計(jì)的同步相干檢測(cè)儀，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)提取出淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲背景中的周期性有用信號(hào)，是微弱信號(hào)檢測(cè)（Weak Signal Detection）領(lǐng)域中最重要和最有效的精密儀器之一，廣泛地應(yīng)用與基礎(chǔ)科學(xué)研究、國(guó)防科技、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)、物理探傷等領(lǐng)域。</p><p>　　相敏檢波器（Phase Sensitive Detector, PSD）是鎖相放大器的核心器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算；而低通濾波器

3、的通頻帶寬決定了相敏檢波器輸出信號(hào)的諧波成分，進(jìn)而對(duì)鎖相放大器的精度產(chǎn)生影響。因此，本文著重研究了相敏檢波器和低通濾波器的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，并在參考信道設(shè)置了兩路正交的參考信號(hào)以避免了輸出結(jié)果對(duì)相位差的依賴。</p><p>　　本文通過(guò)分析鎖相放大器的工作原理，利用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了雙鎖相放大器的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)測(cè)試證明，本文設(shè)計(jì)的正交矢量型數(shù)字鎖相放大器具有較好的抑噪性能，能夠大幅度提高輸

4、出信號(hào)的信噪比。</p><p>　　關(guān)鍵詞：鎖相放大器；虛擬儀器；相敏檢波器</p><p>　　Function realization of lock-in amplifier by LabVIEW programming</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Lock-in A

5、mplifier (LIA),based on the principle of correlation-detecting, is one of the most effective meansin weak signal detections and prove to be able to detect and measure periodical signals, the magnitude of which are usuall

6、y so weak against the surrounding noise, widely used in the fields of scientific research, national defense science and technology, biomedical engineering, physical detection, and so on.</p><p>　　Phase sensi

7、tive detector(PSD) is the core of the lock-in amplifier and can identify the measured signals whose frequency is the same as the reference signal; and its output is determined by the pass band-width of frequency of the L

8、PF, which also affects the precision of the lock-in amplifier. Thus, this paper studies the realization of the PSD and the LPF, and set up two orthogonal reference signal channels to avoid the dependence on the phase dif

9、ference.</p><p>　　The paper analyses the realization of the lock-in amplifier, and use LabVIEW to realize the dual-phase lock-in amplifier. And, it proves to be effective through the simulations, shows a goo

10、d performance in the detection of weak signals, and greatly improves the SNR of the output signals.</p><p>　　Key Words：Lock-in Amplifier；Virtual Instrument；Phase Sensitive Detector</p><p><b&

11、gt;　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　1 緒論…………………………………………………………………………...………1</p><p>　　1.1 課題研究背景及意義1</p><p

12、>　　1.2 微弱信號(hào)檢測(cè)1</p><p>　　1.3 鎖相放大器發(fā)展概況3</p><p>　　1.4 虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW簡(jiǎn)介4</p><p>　　1.4.1 虛擬儀器技術(shù)…………………………………………………………...……4</p><p>　　1.4.2 LabVIEW簡(jiǎn)介…………………………………

13、………………..……...……6</p><p>　　1.5 本章小結(jié)9</p><p>　　2 鎖相放大器的基本理論10</p><p>　　2.1 相關(guān)檢測(cè)原理10</p><p>　　2.2 相關(guān)檢測(cè)技術(shù)11</p><p>　　2.3 正交矢量型鎖相放大器12</p><

14、p>　　2.4 模擬與數(shù)字鎖相放大器性能對(duì)比12</p><p>　　2.4 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)13</p><p>　　2.5 本章小結(jié)15</p><p>　　3 數(shù)字鎖相放大器的軟件設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.1 數(shù)字鎖相放大器的前面板17</p><p>　　3.2 數(shù)字鎖相放大

15、器程序框圖18</p><p>　　3.3 各子模塊設(shè)計(jì)及功能介紹20</p><p>　　3.3.1 信號(hào)生成模塊20</p><p>　　3.3.2 前級(jí)濾波模塊22</p><p>　　3.3.3 相敏檢波模塊23</p><p>　　3.3.4 信號(hào)還原模塊25</p>&l

16、t;p>　　3.3.5 測(cè)量顯示模塊26</p><p>　　3.3 本章小結(jié)27</p><p>　　4 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析28</p><p>　　4.1 部分模塊功能仿真與調(diào)試28</p><p>　　4.1.1 信號(hào)生成模塊仿真與調(diào)試28</p><p>　　4.1.2 前級(jí)濾波模塊

17、仿真效果分析29</p><p>　　4.1.3 相敏檢波模塊仿真測(cè)試29</p><p>　　4.2 整體模塊性能測(cè)試30</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)準(zhǔn)確性測(cè)試30</p><p>　　4.2.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍與抑噪性能測(cè)試30</p><p>　　4.3 鎖相放大器與普通帶通濾波器

18、性能比較32</p><p>　　4.4 本章小結(jié)……………….……………………………………………………….....34</p><p><b>　　結(jié)論35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　致謝37</b><

19、;/p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及意義</p><p>　　鎖相放大器功能的十分強(qiáng)大和應(yīng)用極其廣泛，屬于精密儀器范疇，設(shè)備維護(hù)專(zhuān)業(yè)化要求高，體積龐大且價(jià)格十分昂貴，數(shù)據(jù)處理不太靈活，而且不能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)用戶的交流使用。虛擬儀器技術(shù)采用可視化的圖形化編程環(huán)境和平臺(tái)，提供功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件包，

20、具有編程入手快速、使用高效靈活等特點(diǎn)。因此，本文以微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)中的較為重要的鎖相放大器為例，利用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種虛擬鎖相放大器。</p><p>　　虛擬儀器語(yǔ)言LabVIEW具有通用性強(qiáng)、便于移植、維護(hù)方便等特點(diǎn)，使用LabVIEW制作的鎖相放大器參數(shù)配置更加方便靈活，用戶可以根據(jù)自身需求更改配置；成本低廉，只有軟件、標(biāo)準(zhǔn)化硬件的開(kāi)發(fā)成本，而且標(biāo)準(zhǔn)化硬件的通用性使其相對(duì)成本較低；操作方

21、便，只需在計(jì)算機(jī)上對(duì)前面板操作即可實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)際儀器的功能，用戶不需要對(duì)儀器內(nèi)部的設(shè)計(jì)完全了解也可以根據(jù)說(shuō)明進(jìn)行操作和應(yīng)用；數(shù)據(jù)處理方便且便于多用戶共享，可接住LabVIEW提供的工具包將數(shù)據(jù)寫(xiě)入文本文檔或電子表格中，直接保存在計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)上，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了極大的便利條件，還可以直接通過(guò)打印機(jī)等設(shè)備將數(shù)據(jù)、波形等打印出來(lái)；而且可利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程儀器共享，方便多用戶交流使用。</p><p>　　本文采用La

22、bVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種虛擬數(shù)字鎖相放大器，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量?jī)x器的智能化、多樣化、模塊化，并且用數(shù)字鎖相放大器完成了參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，可以將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)、直觀地顯示出來(lái)，具有較好的抑噪能力和信噪改善比。</p><p><b>　　1.2微弱信號(hào)檢測(cè)</b></p><p>　　科學(xué)家和工程師們?cè)谔剿鞯厍蛭锢憩F(xiàn)象、規(guī)律及其工程應(yīng)用中,時(shí)常會(huì)碰到感興趣的微弱有用信號(hào)（可達(dá)

23、毫微伏量級(jí)）被背景噪聲覆蓋的問(wèn)題,比如生物電信號(hào)測(cè)量、機(jī)械震動(dòng)波的頻譜特性分析以及弱電信息的噪聲過(guò)濾等,微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展使這些問(wèn)題的解決成為可能。</p><p>　　微弱信號(hào)檢測(cè)是一門(mén)綜合利用電子學(xué)、信息論及物理學(xué)的方法，探索噪聲源的產(chǎn)生和統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，研究感興趣的未知信號(hào)的特性和相干關(guān)系，從而檢測(cè)并恢復(fù)被背景噪聲覆蓋的微弱信號(hào)的新興學(xué)科。微弱信號(hào)一般來(lái)講具備兩個(gè)特征含義：既表示有用信號(hào)本身的幅度絕對(duì)值

24、較小，也指相對(duì)背景噪聲比較微弱甚至于被噪聲淹沒(méi)。噪聲是一種無(wú)法預(yù)知任一瞬時(shí)量的隨機(jī)信號(hào)，對(duì)有用信號(hào)的檢測(cè)和提取造成了干擾。研究如何提取背景噪聲下的微弱信號(hào)是當(dāng)今信號(hào)分析與處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，在雷達(dá)與電子對(duì)抗、無(wú)線通信、傳感器、系統(tǒng)辨識(shí)、地球物理勘測(cè)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究重點(diǎn)在于抑制噪聲和改善信噪比。當(dāng)前，學(xué)術(shù)上對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究重點(diǎn)內(nèi)容包括：（1）研究噪聲

25、的成因和統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，尋找抑制措施；（2）輸出信號(hào)多次平均，提高信噪改善比；（3）根據(jù)功率譜的理論獲取單次信號(hào)；（4）改善傳感器的低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)；（5）快速瞬變的處理；（6）減少測(cè)量時(shí)間及隨機(jī)噪聲的平均；（7）檢測(cè)恢復(fù)低占空比信號(hào)；（8）模擬鎖相量化混合數(shù)字平均技術(shù)。</p><p>　　從強(qiáng)噪聲背景下提取并檢測(cè)微弱信號(hào)，在無(wú)線通信、傳感器及機(jī)械故障診斷等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的檢測(cè)理論和算法主要包括相關(guān)檢測(cè)法

26、、取樣積分法、光子計(jì)數(shù)技術(shù)和現(xiàn)代譜估計(jì)理論等。常規(guī)的微弱信號(hào)檢測(cè)方法具有一定的限制，一般要求有較高的檢測(cè)閾值。近年來(lái)，一些學(xué)者在對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究后，提出了諸如混沌振子、諧波小波、隨機(jī)共振和其他的新理論和研究成果，并把這些理論逐步應(yīng)用于微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域。</p><p>　　1928年，Johnson在研究電子熱騷動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲過(guò)程中，提出了隨機(jī)共振與混沌等理論，在微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域有了突破性的研究成果。

27、1992年，D．L．Birx和S．JPipenberg利用混沌復(fù)雜轉(zhuǎn)換前饋網(wǎng)絡(luò)初步研究了如何對(duì)背景噪聲下的信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)和提取等，之后J．Stark和B．V．Arumugam又研究了從強(qiáng)噪聲背景下提取微弱小信號(hào)的新算法。D．S．Broomhead等人在非線性反濾波的基礎(chǔ)上提出了相空間重構(gòu)方法，并成功地提取出淹沒(méi)在噪聲中的有用信號(hào)。1993年，Simon Haykin和Li Xiao Bob在對(duì)海面弱信號(hào)回波中的微弱目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)中應(yīng)用了混沌

28、理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)算法。次年，他們又研究了混沌背景下微弱信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題，并建立了基于BP算法訓(xùn)練的多層感知器網(wǎng)絡(luò)的模型，分別提出了相干與非相干檢測(cè)法。1997年Ward Small IV和Peter M. Celliers人成功研發(fā)出雙色紅外測(cè)溫儀，如鎖相放大器通過(guò)光纖和低溫的測(cè)量，使用探測(cè)器調(diào)制，再通過(guò)鎖相放大器解調(diào)檢波器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低溫對(duì)象發(fā)射微弱信號(hào)的檢測(cè)。2000年西北輕工業(yè)學(xué)院劉建等人依據(jù)相關(guān)性原理，通過(guò)80C</p

29、><p>　　很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)主要還是基于相關(guān)檢測(cè)的原理。相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向是進(jìn)一步提高靈敏度和信號(hào)處理能力，使定位精度得到增強(qiáng)。相關(guān)檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)待測(cè)信號(hào)的周期性和噪聲的隨機(jī)性的特點(diǎn)，與之進(jìn)行自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算，從而達(dá)到濾除噪聲的目的。也就是說(shuō)，相關(guān)檢測(cè)主要是對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行相關(guān)性分析，最大限度壓縮帶寬和抑制噪聲以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)出微弱信號(hào)的功能。由于互相關(guān)檢測(cè)的抗干擾性能比自相關(guān)好，因此

30、本文中以互相關(guān)檢測(cè)為原理。</p><p>　　隨著對(duì)檢測(cè)理論和算法研究的不斷深入，高精密設(shè)備在微弱信號(hào)檢測(cè)中使用越來(lái)越多。高性能和低成本的數(shù)字集成電路器件如數(shù)字信號(hào)處理器（DSP, Digital Signal Processing）、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA, Field Programmable Gate Array）等，模擬電路部分功能數(shù)字化實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的信號(hào)處理算法，因此大幅度改善和提升檢測(cè)設(shè)備的測(cè)試

31、性能。數(shù)字化、智能化和便攜式是微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展方向。目前，技術(shù)相對(duì)成熟的微弱信號(hào)檢測(cè)儀器主要有：鎖相放大器、光子計(jì)數(shù)器、低噪聲放大器和取樣積分器等。</p><p>　　1.3鎖相放大器發(fā)展概況</p><p>　　鎖相放大器是在相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)互相關(guān)原理研發(fā)的一種相干檢測(cè)設(shè)備。具體來(lái)講，鎖相放大器是一種對(duì)檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備，利用參考信號(hào)與待測(cè)有用信

32、號(hào)相關(guān)而與噪聲頻譜不相關(guān)的特性，從背景噪聲中檢測(cè)出微弱有用信號(hào)。不同于一般的帶通放大器，鎖相放大器輸出的信號(hào)不是輸入信號(hào)的簡(jiǎn)單放大，而是把交流分量放大并變成響應(yīng)的直流信號(hào)輸出。由于具有穩(wěn)定的中心頻率、較窄的通頻帶、較高的品質(zhì)因數(shù)等優(yōu)越性能，鎖相放大器在微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　美國(guó)EG&PARC（SIGANL RECOVERY公司前身）公司于1962年成功發(fā)明出了世界上第一臺(tái)鎖

33、相放大器（Lock-in Amplifier,LIA，也稱鎖定放大器），解決了微弱信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中去除噪聲的技術(shù)難關(guān)，極大促進(jìn)了微弱信號(hào)檢測(cè)與提取技術(shù)的發(fā)展。近20年以來(lái)，學(xué)者們不斷向前推進(jìn)和深入鎖相放大器的研究，使其各項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)性能也獲得了極大的改善。目前微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和儀器的不斷發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在諸多基礎(chǔ)科學(xué)研究和實(shí)際工程實(shí)踐技術(shù)領(lǐng)域中，科學(xué)研究引領(lǐng)著當(dāng)前鎖相放大器的發(fā)展方向，同時(shí)工程應(yīng)用反過(guò)來(lái)對(duì)鎖相放大器的檢測(cè)性能也提出了更高的

34、要求指標(biāo)。</p><p>　　以前的鎖相放大器都是通過(guò)模擬電子線路來(lái)實(shí)現(xiàn)，在動(dòng)態(tài)范圍、線性失真、噪聲以及零點(diǎn)漂移等方面表現(xiàn)不佳。由于數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，促使出現(xiàn)了模數(shù)技術(shù)相結(jié)合的模擬鎖相放大器，一則是在輸入信號(hào)通道、參考信號(hào)通道和輸出信號(hào)通道增加了數(shù)字濾波功能來(lái)抑制部分噪音，又或者在模擬鎖相放大器的原來(lái)設(shè)備上增加了一些模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換和各種普通數(shù)字接口功能，能夠?qū)崿F(xiàn)由計(jì)算機(jī)操作、監(jiān)控和顯示等附加

35、功能，但其核心相敏檢波器或調(diào)制解調(diào)器仍使用模擬電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上也是模擬鎖相放大器。直到相敏檢波器或解調(diào)器也使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)后，就出現(xiàn)了真正意義上的數(shù)字鎖相放大器，數(shù)字鎖相放大器比模擬鎖相放大器有許多杰出的優(yōu)點(diǎn)而備受歡迎，成為現(xiàn)在微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。數(shù)字技術(shù)的不斷向前推進(jìn)，逐漸出現(xiàn)了使用FPGA、DSP或者單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新型數(shù)字鎖相放大器，系統(tǒng)誤差小、穩(wěn)定性好、功能豐富、獨(dú)立于溫度和直流偏置影響之外，從而對(duì)鎖相放大器的主流發(fā)展方

36、向產(chǎn)生了深刻影響。特別是基于PC的系統(tǒng)級(jí)模塊化數(shù)字鎖相放大器，其最大優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)字處理單元的核心是由內(nèi)部資源庫(kù)巨大、性能十分強(qiáng)大的CPU構(gòu)成，各種應(yīng)用軟件在操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行，且</p><p>　　外國(guó)的科研機(jī)構(gòu)對(duì)于鎖相放大器的研究較早，技術(shù)相對(duì)成熟。當(dāng)前市場(chǎng)上通用的主流鎖相放大器主流產(chǎn)品都來(lái)自美國(guó)和日本，其中比較典型有美國(guó)斯坦福研究系統(tǒng)（SRC，Stanford Research System）設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的SR

37、8XX系列，美國(guó)信號(hào)還原公司（Signal Recovery）提出的Model 7256系列產(chǎn)品，和日本NF公司的LI5630/5640產(chǎn)品等。這些鎖相放大器具有非常高的穩(wěn)定性和靈敏度，已然成為自動(dòng)化與測(cè)控領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)方面對(duì)鎖相放大器的研究要晚一些，主要集中在一些高等院校及科研機(jī)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)自主研制的通用鎖相放大器產(chǎn)品種類(lèi)還較少，主要有南京大學(xué)唐洪賓等研發(fā)的FS型和ND型系列產(chǎn)

38、品，中電第四十一所研制的AV3891型鎖相放大器等。</p><p>　　1.4虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW簡(jiǎn)介</p><p>　　1.4.1 虛擬儀器技術(shù)</p><p>　　1986年，美國(guó)國(guó)家儀器（National Instruments Corp，簡(jiǎn)稱NI）推出了虛擬儀器(Virtual Instrument,簡(jiǎn)稱VI)的概念。虛擬儀器技術(shù)深層結(jié)合了現(xiàn)代

39、計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)，成為計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（Computer-aided Test，CAT）領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)[1]。</p><p>　　在過(guò)去的20年里，計(jì)算機(jī)的迅速普及極大地推動(dòng)了用于測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域的儀器發(fā)展。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)普及以來(lái)最主要的一個(gè)發(fā)展產(chǎn)物，使得科學(xué)家和工程師們能夠在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中得以提高生產(chǎn)效率、改善測(cè)量?jī)x器的精度和性能。虛擬儀器由一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)或工作站配備了功能強(qiáng)大的應(yīng)

40、用軟件、高性價(jià)比的模塊化軟件（如插件板和驅(qū)動(dòng)軟件），共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器代表了從傳統(tǒng)的硬件為中心的儀器系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)變，虛擬儀器的硬件系統(tǒng)（尤其是I/O接口設(shè)備）對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集、測(cè)量與調(diào)理；軟件才是儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，計(jì)算機(jī)軟件完成信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理過(guò)程，在計(jì)算機(jī)顯示器上模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以數(shù)據(jù)、表格及波形等各種形式輸出檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)滿足用戶需求的各種測(cè)試功能。雖然計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成技術(shù)在過(guò)去的20年里都有了顯著

41、的進(jìn)步，但虛擬儀器技術(shù)提供了建立在這個(gè)強(qiáng)大的硬件技術(shù)上的虛擬儀器，能夠更好地使用創(chuàng)新的方法實(shí)現(xiàn)測(cè)試、測(cè)控以及自動(dòng)化等功能，顯著降低成本，提高效率。隨著虛擬儀器的發(fā)展，工程師和科學(xué)家們得以徹底滿足他們對(duì)設(shè)計(jì)的需求（用戶自定義），而不是通過(guò)傳統(tǒng)儀器的固化了的功能用于測(cè)量和自動(dòng)化領(lǐng)域（供應(yīng)</p><p>　　傳統(tǒng)儀器如示波器、波形發(fā)生器等都具備很強(qiáng)大的功能，但是一般價(jià)格比較昂貴，而且只能夠按照供應(yīng)商的定義進(jìn)行一個(gè)或多

42、個(gè)任務(wù)。一般情況下，用戶不能跨領(lǐng)域或自定義使用的硬件儀器設(shè)備。提供給用戶的傳統(tǒng)儀器的旋鈕和按鈕，內(nèi)置的電路及其功能，都是特定于儀器的性質(zhì)。此外，專(zhuān)用的技術(shù)和昂貴的資金投入使得這些傳統(tǒng)儀器的開(kāi)發(fā)周期非常長(zhǎng)，不利于科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用的長(zhǎng)期發(fā)展。相比之下，由于虛擬儀器是基于PC的，可以充分利用最新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將其納入現(xiàn)成的計(jì)算機(jī)體系內(nèi)。這些先進(jìn)的技術(shù)和性能，正在迅速地減小獨(dú)立儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)之間的差距。</p><p>

43、　　所謂虛擬儀器，是以通用計(jì)算機(jī)為核心，根據(jù)用戶度對(duì)儀器的設(shè)計(jì)定義，用軟件實(shí)現(xiàn)虛擬控制面板和測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件積極式為了解決信號(hào)的輸入、輸出、和調(diào)理，軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，上使用者可以通過(guò)修改軟件，方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以說(shuō)“軟件即是儀器”。</p><p>　　虛擬儀器由通用儀器平臺(tái)（簡(jiǎn)稱硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。隨著測(cè)試、測(cè)量應(yīng)用的日益復(fù)雜，目

44、前市場(chǎng)上提供的模塊化硬件產(chǎn)品也非常豐富，比如，總線類(lèi)型支持PCI、PXI、PCMCIA、USB和1394總線等，產(chǎn)品種類(lèi)從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、聲音和振動(dòng)測(cè)量、視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通信等。按照硬件接口的不同，虛擬儀器可分為基于PC總線、GPIB總線、VXI總線、PXI總線和LXI總線的5種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的軟件構(gòu)架從底層到頂層，由VISA（Virtual Instrumentation Softwar

45、e Architecture）庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)庫(kù)、應(yīng)用軟件三部分組成。VISA庫(kù)實(shí)質(zhì)上就是標(biāo)準(zhǔn)I/O庫(kù)函數(shù)及相關(guān)規(guī)范的總稱，一般將I/O函數(shù)庫(kù)稱為VISA庫(kù)。VISA庫(kù)駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，起著連接計(jì)算機(jī)與儀器的作用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制。儀器驅(qū)動(dòng)程序是指能實(shí)現(xiàn)某一儀器控制系統(tǒng)與通信的軟件程序集，是語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。儀器的驅(qū)動(dòng)程序有儀器生產(chǎn)商以源代碼形式提供給用戶使用，每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序。儀器驅(qū)動(dòng)

46、程序又稱為驅(qū)動(dòng)器。目前，廣</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得科學(xué)家和工程師們?cè)僖膊挥梅忾]在固定傳統(tǒng)儀器的狹窄的操作空間中，能夠很容易根據(jù)自己的需求建立測(cè)量和控制系統(tǒng)。在通信工程、物理勘探、電子測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)工程、聲學(xué)分析、振動(dòng)分析、機(jī)械故障診斷及基礎(chǔ)科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。在自動(dòng)化測(cè)控領(lǐng)域，虛擬儀器可用于采集、控制數(shù)據(jù)；在航天航空工程中，虛擬儀器可用于監(jiān)測(cè)和分析火箭或衛(wèi)星傳遞來(lái)的復(fù)雜數(shù)據(jù),已被

47、美國(guó)航天航空局(NASA)用于火星探險(xiǎn)；在電子和通信工程中，虛擬儀器可用于電子測(cè)量和信號(hào)分析；在基礎(chǔ)學(xué)科的研究中，虛擬儀器可用于設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，例如用于生化領(lǐng)域中監(jiān)測(cè)薄膜分子的相互作用，以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中嗅覺(jué)和視覺(jué)的理論研究。</p><p><b>　　LabVIEW簡(jiǎn)介</b></p><p>　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrum

48、ent Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))是一種基于G（Graphic）語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成環(huán)境。與所有通用編程環(huán)境相同的是，LabVIEW具備了諸如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、事件處理以及內(nèi)置編譯器等標(biāo)準(zhǔn)功能；而不同點(diǎn)在于，作為基于G語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，LabVIEW簡(jiǎn)單、自然、可視化的程序開(kāi)發(fā)方式允許開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)各種交互式的方式進(jìn)行編程。LabVIEW支持與多種總線接口系統(tǒng)的通信連接，成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界中廣

49、泛使用做數(shù)據(jù)采集、儀器控制和數(shù)據(jù)顯示與分析等測(cè)量與自動(dòng)化領(lǐng)域的有力工具。</p><p>　　LabVIEW的主要特點(diǎn)可概括如下[2]：</p><p>　　圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，可視化技術(shù)建立人機(jī)友好界面，并使用工程師和科學(xué)家們熟悉的圖形符號(hào)而不是文本式語(yǔ)言描述程序的行為。</p><p>　　內(nèi)部配置高效的編譯器，提升程序運(yùn)行速度。</p><

50、p>　　靈活的程序調(diào)試手段，用戶可以在程序中設(shè)置斷點(diǎn)單步執(zhí)行程序，在數(shù)據(jù)流上設(shè)置探針，加亮執(zhí)行，便于觀察程序運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)變化。</p><p>　　功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析函數(shù)庫(kù)，幾乎包括儀器設(shè)計(jì)中所需要的所有函數(shù)。</p><p>　　支持多種系統(tǒng)平臺(tái)，不同軟件平臺(tái)之間的程序可以通用。</p><p>　　非封閉式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，提供DLL庫(kù)接口和CIN接口，

51、支持OLE功能，可以調(diào)用其他軟件平臺(tái)的編譯模塊。</p><p>　　強(qiáng)大的網(wǎng)際功能，支持基于TCP/IP、DDE、ActiveX及DataSocket實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)交流。</p><p>　　一個(gè)LabVIEW程序一般由都由前面板（Front Panel）、框圖（Block Diagram）及圖標(biāo)連線板（Icon and Connector）三部分構(gòu)成。</p><

52、;p><b>　　1.前面板</b></p><p>　　前面板是VI的交互式用戶界面，外觀和功能都類(lèi)似于傳儀器面板，用戶的輸入數(shù)據(jù)通過(guò)前面板船體給框圖，計(jì)算和分析結(jié)果也在前面板上以數(shù)字、圖形、表格等各種不同方式顯示出來(lái)。</p><p>　　前面板上的各類(lèi)控件根據(jù)輸入輸出功能可分為輸入控件（Control）和顯示控件（Indicator）兩類(lèi)，前者一般用于接受

53、用戶輸入，包括編輯框、按鈕、開(kāi)關(guān)、旋鈕等，或者則一般用于顯示輸出結(jié)構(gòu)，包括圖形、指示燈、指示框等。</p><p>　　以LabVIEW自帶的例程“Analyze Frequency Response of Filter.vi”為例，其前面板如圖1.1所示，其中包含了濾波器類(lèi)型、采樣頻率、高低截止頻率以及階數(shù)等參數(shù)設(shè)置。</p><p>　　圖1.1 Analyze Frequency

54、Response of Filter.vi前面板</p><p><b>　　2.框圖</b></p><p>　　框圖是程序代碼的圖形化表示，可通過(guò)選擇菜單項(xiàng)中“窗口→顯示程序框圖”或者使用快捷鍵Ctrl+E在前面板和框圖之間切換?？驁D中含有各種圖形化的函數(shù)、子VI、變量、常量、結(jié)構(gòu)和連線，從前面板中得到用戶輸入的數(shù)據(jù)后，按照所編寫(xiě)的程序以數(shù)據(jù)流方式進(jìn)行運(yùn)算，最后給

55、出結(jié)果并反饋給用戶。</p><p>　　圖1.2 Analyze Frequency Response of Filter.vi程序框圖</p><p><b>　　3.連線板</b></p><p>　　連線板則用來(lái)定義輸入和輸出，用戶可以在界面右上角的VI圖標(biāo)上用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊，選擇“顯示連線板”，調(diào)出當(dāng)前VI的連線板進(jìn)行設(shè)置。</

56、p><p>　　如果將虛擬儀器與固定傳統(tǒng)儀器作類(lèi)比，前面板就像是儀器的操作和顯示面板，提供各種參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示，框圖就像是儀器內(nèi)部的印刷電路板，是儀器的核心運(yùn)算部分，對(duì)儀器用戶來(lái)講則是看不見(jiàn)的，而圖標(biāo)和連線就可以比作電路板上的電子設(shè)備集成電路，確保儀器的邏輯和操作功能是正常的。</p><p>　　與枯燥乏味的文本編程相比，用戶在LabVIEW編程中要做的步驟是正確設(shè)置參數(shù)，并與各個(gè)子虛擬儀

57、器連接。編寫(xiě)程序的一般過(guò)程就是使用鼠標(biāo)挑選合適的控件、連線并設(shè)置參數(shù)，顯然更可視化、易于操作。</p><p>　　LabVIEW從1986年面世到現(xiàn)在，已有很多更新版本，可以在多個(gè)操作系統(tǒng)運(yùn)行。LabVIEW的附加工具包更是為不同工程行業(yè)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了支持。歷經(jīng)二十多年的不斷進(jìn)步，LabVIEW依靠其全新的理念和突出的特點(diǎn)，幾乎成為自動(dòng)化與測(cè)控行業(yè)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><

58、;b>　　1.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章從課題研究背景及其現(xiàn)實(shí)意義出發(fā)，凸顯出鎖相放大器在微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域的重要性以及利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相放大器功能的優(yōu)勢(shì)。對(duì)鎖相放大器發(fā)展歷程和LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的介紹，指明了本論文后續(xù)工作的方向，能夠認(rèn)知課題研究的關(guān)鍵問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)方案。</p><p>　　2 鎖相放大器的基本理論</p>

59、;<p>　　鎖相放大器（LIA，Lock-in Amplifier，又稱鎖定放大器）是對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的檢測(cè)儀器，以與待測(cè)信號(hào)同頻的參考信號(hào)為基準(zhǔn)，利用待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相關(guān)而與噪聲不相關(guān)的原理檢測(cè)待測(cè)信號(hào)，能夠極大的抑制噪聲，提高檢測(cè)信噪比[3]。典型的鎖相放大器模型一般由信號(hào)通道、參考通道、相敏檢波器（PSD，Phase Sensitive Detector）和低通濾波器（LPF）構(gòu)成，如圖2.1所示：<

60、/p><p>　　圖2.1 典型鎖相放大器模型</p><p>　　信號(hào)通道的作用是將伴有噪聲的微弱信號(hào)x(t)交流放大以推動(dòng)相關(guān)器正常工作，并可以用帶通濾波器濾除部分噪聲，以提高相敏檢測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍。參考通道輸入與待測(cè)信號(hào)同步的參考信號(hào)r(t)，通常為對(duì)稱方波或正弦波。在PSD內(nèi)完成待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的相敏檢測(cè)，輸出信號(hào)就是待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)信號(hào)，使用通頻帶較窄的低通濾波器濾除

61、與參考信號(hào)不相關(guān)的噪聲，最終檢測(cè)提取出待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。低通濾波器的通頻帶寬帶寬決定了鎖相放大器輸出信號(hào)Vout(t)的信噪改善比，低通濾波器的通頻帶寬越窄則鎖相放大器的輸出信噪改善比越好[4]。</p><p>　　2.1 相關(guān)檢測(cè)原理</p><p>　　相關(guān)檢測(cè)技術(shù)是利用信號(hào)周期性和噪聲隨機(jī)性的特點(diǎn)，通過(guò)自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算達(dá)到濾除噪聲的技術(shù)。相關(guān)檢測(cè)技術(shù)可細(xì)分為互相關(guān)檢測(cè)和自相

62、關(guān)檢測(cè)，前者的抗干擾性能優(yōu)于后者，因此鎖相放大器通常利用互相關(guān)檢測(cè)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)相敏檢波[5]。</p><p>　　設(shè)輸入信號(hào)X(t)=S(t)+N(t),其中S(t)為待測(cè)信號(hào)，N(t)為加性噪音,R(t)為參考信號(hào)。按照互相關(guān)的定義，輸入信號(hào)與參考信號(hào)作互相關(guān)運(yùn)算可以得到：</p><p>　　RXR()==RSR()+RNR()(2.1)</p><p&g

63、t;　　因?yàn)樵肼暸c參考信號(hào)不相關(guān)，得到RNR()=0，則RXR()=RSR()(2.2)</p><p>　　至此，經(jīng)過(guò)互相關(guān)運(yùn)算濾除了噪聲，輸出信號(hào)為待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，再將輸出信號(hào)解調(diào)就可以得到待測(cè)微弱信號(hào)。</p><p>　　2.2 相關(guān)檢測(cè)技術(shù)</p><p>　　鎖相放大器的核心部件是相敏檢測(cè)器，由乘法器和窄帶低通濾波器構(gòu)成。其中乘

64、法器實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，實(shí)現(xiàn)輸入仿真信號(hào)與參考信號(hào)相乘的運(yùn)算，低通濾波對(duì)乘法器輸出信號(hào)進(jìn)行處理，濾除高頻含量，得到與被測(cè)信號(hào)有關(guān)的直流量[6-7]。</p><p>　　任何周期性信號(hào)都可以通過(guò)傅里葉變換展開(kāi)為三角級(jí)數(shù)的形式，因此，正弦信號(hào)可以作為本次設(shè)計(jì)中的基本信號(hào)，從而對(duì)鎖相放大器的性能進(jìn)行調(diào)試和分析。</p><p>　　假如輸入信號(hào)為X(t)=S(t)+N(t)，S(t)為微弱正弦信號(hào)，

65、N(t)為加性噪聲，R（t）為正弦參考信號(hào)。</p><p>　　X(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωSt+θS)+N(t)(2.3)</p><p>　　R(t)=Rsin(ωRt+θR)(2.4)</p><p>　　輸入信號(hào)X(t)與參考信號(hào)N(t)相乘之后，對(duì)于的輸出VPSD(t)為：</p&g

66、t;<p>　　VPSD(t)=[Asin(ωSt+θS)+N(t)]·[Rsin(ωRt+θR)]</p><p>　　=cos[(ωS-ωR)t+(θS-θR)]-cos[(ωS+ωR)t+(θS+θR)]+N(t)Rsin(ωt+θR) (2.5)</p><p>　　因此，若忽略考慮加性噪聲的影響，乘法器的輸出得到待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的差頻成分與倍頻諧波分量。

67、對(duì)于鎖相放大器來(lái)講，參考信號(hào)通常是與待測(cè)信號(hào)同步的，最終通過(guò)低通濾波器后的輸出為</p><p>　　Vout=cos(θS-θR)(2.6)</p><p>　　這個(gè)直流輸出信號(hào)的大小除了與待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的振幅相關(guān)外，還與兩者的相位差的余弦值成正比，這構(gòu)成了鎖相放大器的基本原理。從頻域上來(lái)講，鎖相放大器利用頻譜遷移的原理抑制噪聲，用調(diào)制器將原信號(hào)的頻譜

68、從ω處遷移到ω=0和ω=2ω處，再經(jīng)過(guò)窄帶低通濾波器濾除輸出信號(hào)中的高頻分量就可以得到與待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的幅值、相位都相關(guān)的輸出信息。相敏檢測(cè)器的帶寬取決于低通濾波器的帶寬，而低通濾波器的性能決定了測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)關(guān)乎鎖相放大器設(shè)計(jì)的抑噪性能和精度，在后面的文章中對(duì)低通濾波器會(huì)有詳細(xì)的介紹。</p><p>　　在一路參考信號(hào)輸入的鎖相放大器中，鎖相放大器的輸出與參考信號(hào)的幅度、相位都有

69、關(guān)系。因此，在參考信道中需要設(shè)計(jì)一個(gè)參考信號(hào)相位精準(zhǔn)可調(diào)的移相電路，若不改變參考信號(hào)的幅值，通過(guò)改變參考信號(hào)的相位來(lái)判斷待測(cè)信號(hào)的相值信息。當(dāng)參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)同相時(shí)，得到的直流輸出最大；當(dāng)參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)相差為180°時(shí)，得到負(fù)最大的直流輸出；當(dāng)參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的相差為90°或270°時(shí)，鎖相放大器的輸出值為0。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)參考信號(hào)的相位以獲得待測(cè)信號(hào)的相值。</p><p&

70、gt;　　2.3 正交矢量型鎖相放大器</p><p>　　若將參考信號(hào)的相位移動(dòng)90°，使用兩個(gè)相敏檢測(cè)電路則可以構(gòu)成不需調(diào)節(jié)相位的雙鎖相放大器，也稱正交矢量型鎖相放大器[8]。在參考信號(hào)幅度和相位已知情況下，，這種鎖相放大器克服了測(cè)量結(jié)果對(duì)相位差的依賴，根據(jù)兩個(gè)輸出分了的正交性可以計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的幅值和相位，避免了對(duì)參考信號(hào)的可變移相對(duì)測(cè)量帶來(lái)的準(zhǔn)確性影響。正交矢量型鎖相放大器的基本電路構(gòu)成如下：

71、</p><p>　　圖2.2 雙鎖相放大器模型</p><p>　　由雙鎖相放大器的模型可以得到兩路參考信號(hào)下的輸出，有：</p><p>　　I=sin(θS-θR)(2.6)</p><p>　　Q=cos(θS-θR)(2.7)</p><p>　　則通

72、過(guò)一定的計(jì)算很容易就可以得到待測(cè)信號(hào)的幅值和與參考信號(hào)的相位差：</p><p>　　A=(2.8)</p><p>　　θS-θR=artan()(2.9)</p><p>　　2.4 模擬與數(shù)字鎖相放大器性能對(duì)比</p><p>　　早期應(yīng)用于檢測(cè)強(qiáng)噪聲背景下微弱信號(hào)的鎖相放大器

73、是用模擬電路實(shí)現(xiàn)的，雖然在發(fā)展之初大幅度提高了微弱信號(hào)檢測(cè)的技術(shù)，但隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)儀器提出了高精度、高穩(wěn)定性的要求，模擬鎖相放大器的局限性越發(fā)的凸顯出來(lái)：</p><p>　　模擬鎖相放大器由模擬電子器件構(gòu)成，本身會(huì)產(chǎn)生大量噪聲（包括有源噪聲和無(wú)源噪聲），進(jìn)而對(duì)鎖相放大器的性能造成影響。</p><p>　　相敏檢波器是鎖相放大器的核心部件，模擬電子器件的線性范圍小

74、，易飽和，難以保證相關(guān)運(yùn)算的精度，以致系統(tǒng)的精度收到很大程度的限制。</p><p>　　模擬鎖相放大器的積分器因電容自身的漏電現(xiàn)象，積分時(shí)間不可能達(dá)到理論上的無(wú)限長(zhǎng)，導(dǎo)致噪聲并沒(méi)有被完全抑制，使儀器對(duì)還變周期信號(hào)的檢測(cè)效果變差。</p><p>　　模擬鎖相放大器是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，因此自身無(wú)法糾正干擾產(chǎn)生的誤差。</p><p>　　如今，各類(lèi)各樣的數(shù)字信號(hào)處理方法

75、代替了傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理方法，數(shù)字相敏檢波器的實(shí)現(xiàn)最終出現(xiàn)了真正意義上的數(shù)字鎖相放大器。與模擬鎖相放大器相比，數(shù)字鎖相放大器有諸多的優(yōu)勢(shì)[9-10]。</p><p>　　數(shù)字鎖相放大器的信號(hào)輸出通道中不存在直流放大電路，就不會(huì)產(chǎn)生由直流放大器的工作特性而引起的溫漂和時(shí)變性等干擾問(wèn)題；</p><p>　　數(shù)字鎖相放大器的內(nèi)部晶振時(shí)鐘穩(wěn)定性較高，隨時(shí)間推移和溫度變化小，一方面能降低參考信號(hào)

76、的不穩(wěn)定所導(dǎo)致的誤差，而另一方面在內(nèi)部參考模式中，數(shù)字信號(hào)處理單元能在最短時(shí)間甚至能實(shí)時(shí)就能完成鎖相功能，尤其在頻率掃描測(cè)量中有其明顯的優(yōu)勢(shì)；</p><p>　　數(shù)字鎖相放大器具備高性能的正交解調(diào)技術(shù)，檢測(cè)正交性的待測(cè)信號(hào)時(shí)可以在很大程度上提高微弱信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性；</p><p>　　數(shù)字技術(shù)的發(fā)展促使數(shù)字信號(hào)處理單元的集成度不斷提高但成本降低，從而使得數(shù)字鎖相放大器的性價(jià)比相應(yīng)提高，

77、因此數(shù)字鎖相技術(shù)在未來(lái)的測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域?qū)⒅袝?huì)產(chǎn)生更深入的變革。</p><p>　　2.4 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　相敏檢波器的輸出信號(hào)為被測(cè)信號(hào)的差頻分量和倍頻分量，再通過(guò)低通濾波器之后便可以得到含有被測(cè)信號(hào)幅值、相位信息的直流分量。低通濾波器的通頻帶寬決定了濾波器的性能和指標(biāo)，進(jìn)而影響鎖相放大器的精度。因此，有必要在這里對(duì)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，以得到適用于鎖相放大器的

78、低通濾波器[11-12]。</p><p>　　濾波器是信號(hào)處理中的一個(gè)常用概念，實(shí)際上我們可以將其看作一個(gè)黑箱。所謂濾波，是指根據(jù)輸入信號(hào)估計(jì)輸出信號(hào)，其中輸入信號(hào)與輸出信號(hào)存在某種程度上的關(guān)聯(lián)。濾波器的種類(lèi)很多，應(yīng)用很廣。按照濾波器處理信號(hào)的不同可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器；按照處理信號(hào)所處頻帶的不同，濾波器可分為：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等；按照構(gòu)成的元器件的不同可分為有源濾波器和無(wú)源

79、濾波器；按照濾波器參數(shù)的時(shí)變性，可分為時(shí)變?yōu)V波器和時(shí)不變?yōu)V波器；按照信號(hào)的輸入與輸出關(guān)系可分為線性濾波器和非線性濾波器[13-15]。</p><p>　　過(guò)去多數(shù)采用模擬電路設(shè)計(jì)濾波器，但是模擬電子技術(shù)存在溫漂、電壓漂不穩(wěn)定和引入噪聲等復(fù)雜的問(wèn)題，而數(shù)字濾波器的發(fā)展建立在現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing, DSP）技術(shù)基礎(chǔ)上，已經(jīng)可以取代模擬濾波器。數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)處理的基

80、本內(nèi)容之一，本質(zhì)上講是對(duì)離散的數(shù)字量進(jìn)行合理的運(yùn)算處理，從頻域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)分離的功能。數(shù)字濾波器又可以分為有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器和無(wú)限沖激響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波器[16]。</p><p>　　一個(gè)數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以表示為：</p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　由H（z）得出系統(tǒng)輸入輸出的常函數(shù)線性

81、差分方程為：</p><p><b>　　(2.11)</b></p><p>　　設(shè)N階FIR數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)為h(n)≠0，n=0,1,2,…N-1,則傳遞函數(shù)可表示為：</p><p><b>　　(2.12)</b></p><p>　　FIR濾波器的頻率響應(yīng)為：</p>

82、<p><b>　　(2.13)</b></p><p>　　可以看出，F(xiàn)IR濾波器總是穩(wěn)定的，因此設(shè)計(jì)起來(lái)也相對(duì)簡(jiǎn)單[17-18]。</p><p>　　IIR濾波器的設(shè)計(jì)采用遞歸結(jié)構(gòu)，它的運(yùn)算結(jié)構(gòu)由時(shí)延遲、乘系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，傳遞函數(shù)表達(dá)式為：</p><p><b>　　(2.14)</b>&l

83、t;/p><p>　　其中，α1k、α2k、β1k、β2k（k=0,1,2,…,N）代表IIR濾波器的系數(shù)，其頻率響應(yīng)為：</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p>　　常規(guī)的IIR濾波器有Chebyshev濾波器、Butterworth濾波器、橢圓濾波器和Bessel濾波器等。數(shù)字濾波器的類(lèi)型不同，所具有的特點(diǎn)也不盡相同,

84、因此在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程要根據(jù)所需濾波器的要求其響應(yīng)指標(biāo)。以下是IIR與FIR數(shù)字濾波器的各方面性能的對(duì)比[19-20]：</p><p>　　IIR濾波器中有輸出對(duì)輸入的反饋網(wǎng)絡(luò)，使用較少的存儲(chǔ)單元和計(jì)算次數(shù)，相比之下比較適用。同等技術(shù)指標(biāo)下，F(xiàn)IR濾波器需要用較高的階數(shù)才可以達(dá)到指標(biāo)的要求，而IIR濾波器則不需要。一般情況下，F(xiàn)IR濾波器的階數(shù)要比IIR濾波器高5到10倍左右。</p><p&

85、gt;　　FIR濾波器的相位是嚴(yán)格線性的，而IIR濾波器的選擇性越好反而導(dǎo)致相位的非線性更加嚴(yán)重。如果是IIR濾波器要求得到線性相位，又可以實(shí)現(xiàn)振幅濾波的技術(shù)指標(biāo)，就需要通過(guò)全通網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償相位，這同樣很大程度上增加了濾波器的階數(shù)。因此，從這方面考慮FIR濾波器又比IIR濾波器要好一些。</p><p>　　IIR濾波器的設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)算工具要求不高，運(yùn)算量也較小，因?yàn)榭梢岳媚M濾波器設(shè)計(jì)中已有的閉合公式、表格和數(shù)據(jù)。而

86、FIR濾波器一般沒(méi)有可利用的現(xiàn)成公式，窗函數(shù)法雖然給出了窗函數(shù)的計(jì)算公式，但是計(jì)算通帶、阻帶衰減還是沒(méi)有現(xiàn)成可利用的表達(dá)式。FIR濾波器的設(shè)計(jì)往往需要使用電腦，只有少數(shù)的機(jī)器代碼可以利用。</p><p>　　IIR濾波器的設(shè)計(jì)必須使用遞歸結(jié)構(gòu)，只有極點(diǎn)在z平面單位圓內(nèi)才能穩(wěn)定。這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，四舍五入的處理會(huì)產(chǎn)生寄生振蕩。FIR濾波器則主要采用非遞歸結(jié)構(gòu)，所以理論上和實(shí)際中的有限精度的運(yùn)算中都是平穩(wěn)的，誤差

87、較小。</p><p>　　FIR濾波器的沖激響應(yīng)有限長(zhǎng)，可利用快速傅里葉算法，加快執(zhí)行速度。IIR濾波器的沖激響應(yīng)是無(wú)限長(zhǎng)的，不能夠這樣進(jìn)行運(yùn)算。</p><p>　　IIR濾波器主要是用于設(shè)計(jì)規(guī)范化化的、頻率特性為分段恒值的標(biāo)準(zhǔn)低通、帶通、帶阻、高通以及全通濾波器。FIR濾波器則沒(méi)有這么局限性，能夠設(shè)計(jì)出理想微分器、線性調(diào)頻器、理想正交變換器等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，具有廣泛的適用性。</p&

88、gt;<p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了鎖相放大器的基本框架結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹了相敏檢波器的工作原理，針對(duì)單鎖相放大器的不足引出正交矢量型鎖相放大器的概念。最后把數(shù)字鎖相放大器和模擬鎖相放大器的性能在各方面進(jìn)行對(duì)比，凸顯出數(shù)字鎖相放大器性能方面的優(yōu)勢(shì)，最后對(duì)鎖相放大器中濾波器設(shè)計(jì)的要求作了闡述，使得對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)有了較為深入的了解。

89、</p><p>　　3 數(shù)字鎖相放大器的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 數(shù)字鎖相放大器的前面板</p><p>　　虛擬儀器的前面板盡量仿照實(shí)際儀器的操作和顯示器的效果進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸入控件使用了簡(jiǎn)潔明了的數(shù)值直接輸入的方式，而輸出及顯示控件的方式選擇相對(duì)較多，有直接數(shù)值輸出、儀表和波形圖等多種方式，使得儀器交互式界面友好，可操作性強(qiáng)。數(shù)字鎖相放大器的前面板

90、由信號(hào)設(shè)置、信號(hào)顯示、信號(hào)處理與分析三部分構(gòu)成，所設(shè)計(jì)的數(shù)字鎖相放大器的前面板如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 數(shù)字鎖相放大器前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　信號(hào)設(shè)置包括輸入仿真信號(hào)、參考正弦信號(hào)的頻率、幅值及相位等通過(guò)按鍵設(shè)置，噪聲的類(lèi)型和幅值以及仿真信號(hào)和參考信號(hào)的采樣信息（包括采樣頻率和采樣數(shù)，采樣頻率的設(shè)置要滿足奈奎斯特定理，同時(shí)參考信號(hào)的采樣信息要與待測(cè)信號(hào)的采樣

91、信息保持一致）可以通過(guò)仿真信號(hào)程序框圖來(lái)設(shè)置，重置按鈕控制仿真信號(hào)和參考信號(hào)的輸入，停止按鈕控制程序的啟停。</p><p>　　信號(hào)顯示部分包括原始的疊加了均勻白噪聲（噪聲類(lèi)型也可以通過(guò)仿真信號(hào)程序框圖進(jìn)行調(diào)節(jié)）的輸入信號(hào)、經(jīng)前級(jí)濾波后的信號(hào)以及經(jīng)恢復(fù)還原后的輸出信號(hào)。</p><p>　　信號(hào)處理與分析部分實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相放大器的低通濾波器截止頻率設(shè)置（濾波器的類(lèi)型、階數(shù)等也可以通過(guò)程序框

92、圖進(jìn)行設(shè)置）以及還原信號(hào)的總諧波失真、信噪比、頻率、幅值、相位等信息處理結(jié)果顯示。</p><p>　　圖3.2 程序運(yùn)行中的虛擬鎖相放大器的前面板顯示</p><p>　　3.2 數(shù)字鎖相放大器程序框圖</p><p>　　虛擬數(shù)字鎖相放大器的程序流程圖如圖3.3所示，采用了循環(huán)結(jié)構(gòu)使程序連續(xù)運(yùn)行，直至按下停止鍵或者系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)才退出運(yùn)行。程序通過(guò)兩路信號(hào)的輸入

93、，在信號(hào)通道對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行了前級(jí)濾波處理，以濾除一部分噪聲，可以擴(kuò)大鎖相放大器的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍，提高精度。相敏檢測(cè)模塊中乘法器完成正交的兩路參考信號(hào)與仿真信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算，再經(jīng)過(guò)通頻帶較窄的低通濾波器最終得到直流輸出。最后，通過(guò)一定的算法設(shè)計(jì)還原原始仿真信號(hào)。</p><p>　　圖3.3 數(shù)字鎖相放大器程序流程圖</p><p>　　如圖3.4顯示了數(shù)字鎖相放大器的程序框圖，從左到右整體可

94、劃分為信號(hào)生成模塊、前級(jí)濾波模塊、相敏檢波模塊、信號(hào)還原模塊及測(cè)量值顯示五大模塊。從程序框圖上來(lái)看，各個(gè)子模塊的實(shí)現(xiàn)是隨著數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)進(jìn)行的，在系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中可以驗(yàn)證子模塊數(shù)據(jù)正誤和準(zhǔn)確度，而且整個(gè)框架設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、直觀，易于理解并有助于程序的調(diào)試和正確運(yùn)行。</p><p>　　圖3.4 數(shù)字鎖相放大器程序框圖</p><p>　　3.3 各子模塊設(shè)計(jì)及功能介紹</p>&l

95、t;p>　　3.3.1 信號(hào)生成模塊</p><p>　　仿真信號(hào)由Express VI選板生成（如圖3.5），該控件可以對(duì)產(chǎn)生的正弦波形的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)（頻率、相位、幅值、偏移量等，也可以對(duì)采樣信息進(jìn)行設(shè)置），并可以在波形上疊加各種噪聲信號(hào)（如高斯白噪聲、泊松噪聲、二項(xiàng)分布噪聲、周期性隨機(jī)噪聲等）以模擬真實(shí)的輸入效果。輸入信號(hào)通過(guò)前面板左下的控件進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。需要說(shuō)明的是，本次設(shè)計(jì)為保證較大頻率范圍內(nèi)的測(cè)

96、試，采樣頻率設(shè)置為50kHz,采樣數(shù)自動(dòng)生成為5000；在進(jìn)行仿真測(cè)試過(guò)程中添加的是頻譜范圍較寬的均勻白噪聲，有利于測(cè)試鎖相放大器的選頻濾波性能。</p><p>　　圖3.5 仿真信號(hào)生成設(shè)置</p><p>　　參考信號(hào)可以由兩種方式產(chǎn)生：一種可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)外部信號(hào)生成，另一種是采用軟件內(nèi)部產(chǎn)生的正弦波形的方式獲得。內(nèi)部生成的參考信號(hào)參數(shù)具有良好的穩(wěn)定性，且移相電路容易實(shí)現(xiàn)，

97、因此本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)部產(chǎn)生參考信號(hào)的方式。參考信號(hào)的設(shè)置需在前面板的左下側(cè)與輸入信號(hào)設(shè)置板塊相鄰，參考信號(hào)的頻率需與待測(cè)信號(hào)保持一致，幅值的設(shè)置可以改變最終輸出直流分量的增益，雙相敏檢波情況下將其相位值設(shè)為0即可。</p><p>　　仿真信號(hào)和參考信號(hào)的設(shè)置都通過(guò)簇函數(shù)實(shí)現(xiàn)，LabVIEW中的簇是一種常用的符合類(lèi)型數(shù)據(jù)，與C語(yǔ)言中的struct結(jié)構(gòu)體功能類(lèi)似，簇整體可以將若干種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)作為一個(gè)單元處理，大大

98、減少了連線數(shù)量和子VI的連接端口數(shù)量。需要說(shuō)明的是，簇作為一個(gè)整體，只能作為輸入控件或顯示控件，所以變量被拖入簇中成為簇元素后，都統(tǒng)一變成輸入控件或顯示控件。在程序框圖中可見(jiàn)，在簇的輸入控件之后需要有一個(gè)相對(duì)于的解綁函數(shù)把對(duì)應(yīng)的簇的輸入信息連接到仿真信號(hào)和參考信號(hào)中，這樣操作比較簡(jiǎn)單方便，利于模塊化管理。</p><p>　　在參考信道生成的兩路信號(hào)有90°的相位差（相互正交），通過(guò)一個(gè)簇的定義和加法器

99、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的移相電路單元，可以避免兩路參考信號(hào)的不同步問(wèn)題。</p><p>　　布爾輸入控件可以控制仿真信號(hào)和參考信號(hào)的重置信息，在仿真過(guò)程中如若設(shè)置新的參數(shù)后可以通過(guò)重置按鈕來(lái)觀察調(diào)試新的仿真結(jié)果。</p><p>　　信號(hào)生成模塊如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 信號(hào)生成模塊</p><p>　　3.3.2前級(jí)濾波模塊&l

100、t;/p><p>　　微弱信號(hào)檢測(cè)中待測(cè)信號(hào)相較于背景噪聲往往太弱小以至于被淹沒(méi)，因此鎖相放大器設(shè)計(jì)需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行前級(jí)濾波處理，以達(dá)到濾除部分噪聲，擴(kuò)大鎖相放大器的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍的效果。前級(jí)濾波模塊使用的是LabVIEW提供的帶通濾波器，可在程序框圖中設(shè)置濾波器的類(lèi)型和階數(shù)、高截止頻率和低截止頻率（如圖3.7），并可以直觀地觀察所設(shè)計(jì)的濾波器的時(shí)域的輸入輸出數(shù)據(jù)顯示和頻域的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。系統(tǒng)中使用的是9階貝塞

101、爾濾波器，帶通濾波器的高截止頻率設(shè)置為參考信號(hào)的1.2倍，低截止頻率為參考信號(hào)的1/1.2。前級(jí)濾模塊的程序框圖如圖3.8所示：</p><p><b>　　圖3.7濾波器配置</b></p><p>　　圖3.8 前級(jí)濾波模塊</p><p>　　3.3.3 相敏檢波模塊</p><p>　　相敏檢波模塊主要由相敏

102、檢測(cè)器和低通濾波器兩部分組成，如圖3.9。相敏檢測(cè)器由乘法器實(shí)現(xiàn)，完成輸入信號(hào)與參考信號(hào)間的相關(guān)運(yùn)算，得到與待測(cè)信號(hào)的幅值和相位有關(guān)的輸出信息。LabVIEW可以設(shè)計(jì)帶寬極小的低通濾波器，其參數(shù)設(shè)置可以通過(guò)程序框圖來(lái)調(diào)節(jié)以適應(yīng)各種不同信噪比的輸入信號(hào)的濾波處理。低通濾波器使用的是LabVIEW提供的9階巴特沃斯濾波器。圖3.10顯示的是該濾波器低截止頻率為100Hz時(shí)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。當(dāng)帶寬較小時(shí)，濾波器表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑噪能力，具有較

103、高的精度，但是以較長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間的為代價(jià)實(shí)現(xiàn)。相反，當(dāng)帶寬較大時(shí)，精度較低，抑噪能力稍弱，但響應(yīng)時(shí)間也較短。</p><p>　　信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波之后，一方面通過(guò)一些前述章節(jié)的數(shù)值計(jì)算得到仿真信號(hào)的幅值信息；而另一方面則通過(guò)反正切函數(shù)可以得到仿真信號(hào)與參考信號(hào)的相位差。這里使用的反正切函數(shù)可以計(jì)算y/x的反正切（圖3.11），該函數(shù)可以計(jì)算XY坐標(biāo)系中四個(gè)象限中任意角的反正切值，采用弧度制、輸出值的范圍為(-π,π]。由

104、于濾波器輸出的是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，因此這里也需要將其轉(zhuǎn)換為雙精度數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖3.9 相敏檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3.10巴特沃斯濾波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)</p><p>　　圖3.11 LabVIEW中的atan2圖形函數(shù)</p><p>　　3.3.4 信號(hào)還原模塊</p><p>　　在

105、信號(hào)還原模塊中，根據(jù)已知參數(shù)或者測(cè)量結(jié)果通過(guò)公式節(jié)點(diǎn)法來(lái)恢復(fù)微弱有用信號(hào)。待測(cè)信號(hào)的頻率已知由參考信號(hào)提供，而信號(hào)幅值和相位的輸入通過(guò)信號(hào)處理模塊測(cè)量得到較為平穩(wěn)的信號(hào)，因此可以還原出相對(duì)應(yīng)的正弦信號(hào)，以便對(duì)檢測(cè)出的信號(hào)進(jìn)行分析和識(shí)別（如圖3.12）。</p><p>　　信號(hào)還原模塊使用了for循環(huán)結(jié)構(gòu)運(yùn)行，循環(huán)次數(shù)設(shè)置為1000，可以使還原輸出信號(hào)得到較平滑的數(shù)據(jù)。其中，a為還原信號(hào)的幅值輸入，b為常數(shù)2π，

106、c為參考信號(hào)的頻率，d為正弦函數(shù)中的自變量，e為經(jīng)還原得到的相位信息。</p><p>　　圖3.12 信號(hào)還原模塊</p><p>　　3.3.5 測(cè)量顯示模塊</p><p>　　該模塊通過(guò)LabVIEW自帶的波形測(cè)量選板對(duì)還原后的信號(hào)進(jìn)行處理和分析，對(duì)其波形進(jìn)行還原效果分析，給出還原信號(hào)的幅值、相位以及總諧波失真等指標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)的數(shù)字鎖相放大器進(jìn)行性能評(píng)估。