基于DSP和LabVIEW的双相锁相放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微弱信号检测领域，特别涉及一种基于DSP和LabVIEW的双相锁相放 大器。
【背景技术】
[0002] 锁相放大器是以相干检测技术为基础，利用参考信号频率与被测信号频率相关， 与噪声频率不相关，进而从较强的噪声背景中提取出有用信号的一种装置，是检测被噪声 湮没的微弱信号的最有效手段。目前，锁相放大器广泛应用于微弱电压电流信号检测、污染 气体检测、微量物质浓度检测（如：叶绿素，细菌等）、医学检测、光信号检测、光源散射特性 测量等研究。
[0003] 传统锁相放大器完全采用模拟元器件实现，模拟锁相放大器技术一直在发展，但 一直存在电子元器件本身会引进较多噪声，模拟乘法器精度低、速度慢、存在零点漂移现 象，模拟元器件使用寿命低、易老化等问题。近年来，数字锁相放大器趋于热门。相比模拟 锁相放大器，数字锁相放大器运算速度快、实时性强、精度高、数据便于保存，且数字锁相放 大器便于调试、改进、更新和移植。此外，双相锁相放大器避免了单相锁相放大器所需的移 相电路带来的误差，大大提高了检测精度。但是现有中低端双相锁相放大器对被噪声湮没 的已知频率的微弱正弦信号的检测效果不够好。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有中低端双相锁相放大器对被噪声湮没的已知频率 的微弱正弦信号的检测效果不够好的问题，本发明提供一种基于DSP和LabVIEW的数字双 相锁相放大器。
[0005] 本发明的基于DSP和LabVIEW的双相锁相放大器，所述锁相放大器包括信号调理 模块、DSP模块和LabVIEW软件模块；
[0006] 信号调理模块包括前置放大电路、低通滤波电路和偏置及保护电路，被测信号经 前置放大电路放大后输入至低通滤波电路，经低通滤波电路滤波后的被测信号输入至偏置 及保护电路，经偏置及保护电路进行直流偏置后的被测信号输入至DSP模块；
[0007] DSP模块，用于对调理后的被测信号进行采样，获得被测信号序列；还用于产生和 被测信号同频率的正弦参考信号序列和余弦参考信号序列，将产生的正弦参考信号序列和 余弦参考信号序列分别与被测信号序列进行乘法运算，将两路乘法运算的结果以RS232串 口通信的方式发送至LabVIEW软件模块；
[0008] LabVIEW软件模块，用于通过RS232串口通信接收两路乘法运算的结果，并对两路 乘法运算的结果进行低通滤波，得到稳定的直流常量，再根据所述直流常量求出被测信号 的幅值和相位，并显示被测信号的幅值、相位和波形。
[0009] 所述DSP模块，用于对直流偏置后的被测信号进行采样，获得被测信号序列的具 体过程为：
[0010] 经ADC对被测信号采样后，获得采样值，去除采样值的直流偏置量，将去除直流偏 置量的采样值乘以对应比例系数，获得被测信号序列；
[0011] 去除直流偏置量的过程为：求取所得采样值的平均值，将所得采样值减去平均值， 结果即为去除直流偏置量的采样值。
[0012] 所述DSP模块，将两路乘法运算的结果以串口通信的方式发送的具体过程为：
[0013] 所述乘法运算的结果为32位浮点型数据，将32位浮点型数据扩大10000倍，将扩 大后的数据定义为16位有符号整型数据，然后按16位有符号整型数据的高8位和低8位 发送，每次发送8位的数据。
[0014] LabVIEW软件模块，用于通过RS232串口通信接收两路乘法运算的结果的过程具 体为：
[0015] 对串口进行配置，利用VISA读取串口缓冲区的数据，将读取的数据还原为32位浮 点型数据，获得两路浮点型乘法运算的结果。
[0016] 所述前置放大电路包括运算放大器0P1-0P3、电阻R1、电阻R2、电阻R 3、电阻R1'、 电阻W 2、电阻W 3和可变电阻Rg;
[0017] 被测信号以差模信号υιη+-υιη输入至运算放大器OPl的同相输入端和运算放大器 0P3的同相输入端；
[0018] 运算放大器OPl的反相输入端与可变电阻Rg的可调端和电阻&的一端同时连接， 电阻&的另一端、运算放大器OPl的输出端和电阻1? 2的一端同时连接，电阻1?2的另一端、运 算放大器0P2的反相输入端和电阻私的一端同时连接，电阻1? 3的另一端与运算放大器0P2 的输出端连接；
[0019] 运算放大器0P3的反相输入端与可变电阻Rg的固定端和电阻R1'的一端同时连 接，电阻R/的另一端、运算放大器0P3的输出端和电阻R' 2的一端同时连接，电阻R' 2 的另一端、运算放大器0P2的同相输入端和电阻R' 3的一端同时连接，电阻R' 3的另一 端接电源地；
[0020] 运算放大器0P2的输出端输出放大后的被测信号。
[0021] 所述低通滤波电路包括运算放大器0P4、电阻R4、电阻R5、电阻R 6、电阻Rfl、电容C1 和电容C2;
[0022] 电阻1?4的一端输入放大后的被测信号，电阻R4的另一端与电容C i的一端、电阻R5 的一端同时连接，电容C1的另一端接电源地；电阻R 5的另一端与电容C 2的一端、运算放大 器0P4的同相输入端同时连接，电容C2的另一端接电源地；电阻1? 6的一端接电源地，电阻R6 的另一端与电阻Rfl的一端、运算放大器0P4的反相输入端同时连接，电阻Rfl的另一端与运 算放大器0P4的输出端连接，运算放大器0P4的输出端输出滤波后的被测信号。
[0023] 所述偏置及保护电路包括运算放大器0P5、电阻R7、电阻R8、电阻R 9、电阻R1。、电阻 Rf2、电容CjP二极管D JP二极管D 2;
[0024] 电阻1?8的一端输入滤波后的被测信号，电阻R 9的一端输入偏置电压值，电阻R 8的 另一端与电阻馬的另一端、电阻R 1(]的一端、运算放大器0P5的同相输入端同时连接，电阻 Rid的另一端接电源地；电阻R 7的一端接电源地，电阻R 7的另一端与电阻Rf2的一端、运算放 大器0P5的反相输入端同时连接，电阻& 2的另一端、运算放大器0P5的输出端、二极管 阳极、二极管D2的阴极、电容C 3的一端同时连接，二极管D i的阴极接电源的正极，二极管D 2 的阳极和电容(：3的另一端同时接电源地，运算放大器0P5的输出端输出直流偏置后的被测 信号。
[0025] 本发明的有益效果在于，本发明具有普通锁相放大器应有的功能，能够提取被噪 声湮没的已知频率的微弱正弦信号，并且具有高精确度、低成本、便携等优点。此外，本发 明的数字式双相锁相放大器使用的是两路参考信号，避免了单相锁相放大器移相电路的缺 点；还发挥了 DSP模块数据运算处理快和LabVIEW编程简单、界面友好的优势，成功实现了 DSP和LabVIEW的串口通信。另外，现有中低端锁相放大器的售价一般在万元以上，而本发 明采用DSP模块和LabVIEW软件模块，既节约了成本，又具有较高的性能，完全满足一般场 合被噪声湮没的微弱信号检测的需求，亦可作为微弱信号检测领域深入研究的高性价比 平台。
【附图说明】
[0026] 图1为【具体实施方式】中的双相锁相放大器的原理示意图。
[0027] 图2为【具体实施方式】中的前置放大电路的电气原理示意图。
[0028] 图3为【具体实施方式】中的低通滤波电路的电气原理示意图。
[0029] 图4为【具体实施方式】中的偏置及保护电路的电气原理示意图。
[0030] 图5为【具体实施方式】中的LabVIEW软件模块串口接收配置的程序原理示意图。
[0031] 图6为【具体实施方式】中LabVIEW软件模块获得被测信号的幅值的程序原理示意 图。
[0032] 图7为【具体实施方式】中LabVIEW软件模块获得被测信号的相位的程序原理示意 图。
[0033] 图8中的通道2为【具体实施方式】中前置放大电路的输出波形，50mV/格，3. 9ms/ 格。
[0034] 图9中的通道2为【具体实施方式】中低通滤波电路的输出波形，IOOmV/格，3. 9ms/ 格。
[0035] 图10中的通道1为【具体实施方式】中低通滤波电路的输出波形，500mV/格，3. 9ms/ 格，通道2为偏置及保护电路的输出波形，500mV/格，3. 9ms/格。
[0036] 图11为【具体实施方式】中DSP模块采样值转化为真实值的波形图。
[0037] 图12为DSP模块调试软件CCS观察的0°和90°相位参考信号分别和被测信号 做乘法相关运算的结果曲线a和曲线b。
[0038] 图13为【具体实施方式】中LabVIEW软件模块显示的被测信号的幅值、相位和波形 图。
[0039] 图14为示波器测量幅值为10mV，频率为100Hz，并附加50%噪声的微弱正弦信号 的波形，6mV/格，4. Ims/格。
【具体实施方式】
[0040] 结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于DSP和LabVIEW的数字式双相 锁相放大器，所述锁相放大器包括信号调理模块、DSP模块和LabVIEW软件模块；
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