值增加了 I. 5V。
[0079] 用信号发生器产生幅值为10mV，频率为IOOHz，并附加50 %噪声的正弦信号。运行 DSP模块和LabVIEW软件模块程序，图11所示是DSP模块采样值转化为真实值用DSP模块 调试软件CCS观察的结果，显然，其幅值刚好在220mV附近，与本实施方式部分的理论推导 相符。
[0080] 图12中曲线a和曲线b分别是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。显然，所得信号的频率变为了原被测信号频率的两倍，这与理 论推导也相符，因为两个同频率的正弦信号相乘所得信号确实是信号频率加倍。
[0081] 由于DSP模块将乘法相关运算的结果以RS232串口通信的方式发送到了 LabVIEW 软件，所以LabVIEW软件中也能观察到乘法相关运算的结果。实验中发现，LabVIEW软件接 收到的乘法相关运算结果与DSP调试软件CCS中观察到结果完全吻合，因此，DSP模块和 LabVIEW软件模块之间的串口通信非常成功。
[0082] 之后，再对乘法相关运算的结果低通滤波，两路乘法相关运算结果低通滤波后得 到两个直流常量，图13中数字双相锁相放大器界面显示了根据这两个直流常量求得的被 测信号幅值和相位结果，幅值A和相位Φ分别为：A = 9. 935mV，φ = _52.145?)。另外，从图 IlDSP采样所得结果也可以计算得被测信号的相位约为：
[0084] 对比数字双相锁相放大器界面的显示结果和信号发生器产生的原始信号幅值 IOmV来看，幅值的检测结果准确无误，对比数字锁相放大器界面的显示结果和DSP的ADC采 样结果计算值，相位的检测结果准确无误。
[0085] 表1不同幅值含噪声微弱正弦信号检测结果
[0087] 此外，本实施方式还测试了某型号示波器对幅值为10mV，频率为100Hz，并附加 50%噪声的微弱正弦信号的检测结果，如图14所示，其峰峰值竟然达到了 37mV，显然与实 际20mV偏差太大。对比示波器的检测结果和数字锁相放大器的结果来看，本实施方式对示 波器检测效果不好的被噪声湮没的微弱信号也具有较好的检测效果。
[0088] 表1列出了信号发生器产生幅值分别为1〇11^、1511^、2〇11^、3〇11^、5〇11^，噪声百分比 分别为50%、100%的含噪声的微弱正弦信号的检测结果。
[0089] 从表1的结果来看，该数字锁相放大器的检测准确度很高，幅值检测相对误差 〈2%，相位检测绝对误差〈3°，完全达到了一般场合被噪声湮没的微弱信号检测的指标。
[0090] 本实施方式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，能够解决典型的实际问题，并且具有高精确度、低成本、便携等优点。此外， 该数字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。总之，本实施方式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。
【主权项】
1. 一种基于DSP和LabVIEW的双相锁相放大器，其特征在于，所述锁相放大器包括信号 调理模块、DSP模块和LabVIEW软件模块； 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； 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； 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。2. 根据权利要求1所述的基于DSP和LabVIEW的双相锁相放大器，其特征在于，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： 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； 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。3. 根据权利要求1所述的基于DSP和LabVIEW的双相锁相放大器，其特征在于，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： 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。4. 根据权利要求3所述的基于DSP和LabVIEW的双相锁相放大器，其特征在于， 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： 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。5. 根据权利要求1所述的基于DSP和LabVIEW的双相锁相放大器，其特征在于，所述前 置放大电路包括运算放大器OP1-OP3、电阻R 1、电阻R2、电阻R3、电阻R' i、电阻R' 2、电阻 R' 3和可变电阻Rg; 被测信号以差模信号Uin+-Uin输入至运算放大器OPl的同相输入端和运算放大器OP3 的同相输入端； 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 阻札的另一端、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； 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R':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； 运算放大器0P2的输出端输出放大后的被测信号。6. 根据权利要求5所述的基于DSP和LabVIEW的双相锁相放大器，其特征在于，所述低 通滤波电路包括运算放大器0P4、电阻R 4、电阻R5、电阻R6、电阻Rfl、电容C1和电容C 2; 电阻R4的一端输入放大后的被测信号，电阻R 4的另一端与电容C: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R5的另一端与电容C2的一端、运算放大器0P4 的同相输入端同时连接，电容C 2的另一端接电源地；电阻R 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R fl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。7. 根据权利要求6所述的基于DSP和LabVIEW的双相锁相放大器，其特征在于，所述偏 置及保护电路包括运算放大器0P5、电阻R 7、电阻R8、电阻R9、电阻R1。、电阻Rf2、电容C 3和二 极管DjP二极管D 2; 电阻R8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 i。的一端、运算放大器0P5的同相输入端同时连接，电阻R:。的 另一端接电源地；电阻馬的一端接电源地，电阻R 7的另一端与电阻R f2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D i的阳 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。
【专利摘要】基于DSP和LabVIEW的数字双相锁相放大器，属于微弱信号检测领域。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。它包括：信号调理模块对被测信号进行放大、低通滤波和直流偏置后输入至DSP模块；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；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，并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发送；LabVIEW软件模块，用于接收两路乘法运算的结果，并对其进行低通滤波，得到稳定的直流常量，根据直流常量求出被测信号的幅值和相位，显示被测信号的幅值、相位和波形。用于检测被噪声湮没的微弱信号。
【IPC分类】H03F7/00, H03L7/00
【公开号】CN105245194
【申请号】CN201510756594
【发明人】齐超, 黄奕毅, 张文生, 张渤晗
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年11月9日