基于虛擬儀器技術的鎖相放大器設計

黃世瑜

（四川職業技術學院，四川 遂寧 629000）

基于虛擬儀器技術的鎖相放大器設計

黃世瑜

（四川職業技術學院，四川 遂寧 629000）

鎖相放大器是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器，廣泛的應用于科學研究、醫療衛生、國防科技、精細加工檢測等領域.基于虛擬儀器技術的鎖相放大器無疑使這種應用更為方便和高效.本文通過分析鎖相放大器工作原理，測量信號與基準信號的互相關特性，利用虛擬儀器技術，基于LabVIEW軟件系統，完成鎖相放大器程序設計，實現將所需頻率的微小信號鎖定并進行測量的數字鎖相放大器設計.

鎖相放大器；虛擬儀器；信號噪聲；相敏檢波器

在弱信號信號檢測與系統處理中，待檢測信號往往深埋在噪聲信號中，噪聲信號分離是信號處理核心技術.鎖相放大器(LIA)是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器.它利用和被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（或者倍頻）、同相的噪聲分量有響應.因此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比.此外，鎖相放大器有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單，是弱光信號檢測的一種有效方法.

SIGNAL RECOVER公司1962年發明的第一臺鎖相放大器，突破了弱信號檢測過程中噪聲信號濾除的技術難題，極大的推動了信號檢測與信號調理技術的發展，隨著電子信息工程技術的不斷發展，鎖相放大器的發展也經歷了由早初的模擬電子系統、模數混合電子系統到現在廣泛使用的數字系統實現的發展歷程，弱信號檢測與信號處理在多學科技術領域得到了廣泛的應用.

在當前的鎖相放大器工程應用中，一般均使用數字鎖相放大器.在數字鎖相放大器信號處理通道中，引入了數字濾波器、模數轉換（ADC）、數模轉換（DAC）等技術，有效的抑制了信號通道中的各類噪聲信號，采用數字系統可以實現由計算機控制、監視和顯示等輔助功能，為數字化、虛擬化等“硬件軟化”技術的實現提供了有效的技術途徑.

虛擬儀器(Virtual Instruments簡稱VI)是以計算機技術為核心，根據測量信號的需求，使用軟件技術的方式來實現通用硬件設備信號測量功能.虛擬儀器典型的軟件程序開發平臺是LabVIEW，LabVIEW由美國國家儀器（NI）公司研發，是基于圖形化的程序語言，又稱為“G”語言.是一個面向最終用戶的程序設計工具，使用這種語言編程時，采用流程圖程序設計的方式，在程序的編寫過程中基本上不寫程序代碼.使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，可以大大提高工作效率.

1 鎖相放大器工作原理

典型的鎖相放大器模型一般由信號通道、參考通道和相關器三部分組成，如圖1所示.在信號的處理過程中，其核心部件為相關器，相關是指兩個彼此獨立的函數，當兩個函數的乘積對時間求積分（平均）為零時，兩個函數的關系稱為相關函數.函數的相關性可分為自相關和互相關兩種.在鎖相放大器中主要目的是從噪聲中取出微弱的有用信號，由于互相關檢測抗干擾能力強，因此在鎖相放大器中一般采用互相關檢測原理.利用參考信號頻率與輸入信號頻率相關，與噪聲頻率不相關實現對信號的選擇性放大的目的.

相關器為相敏檢波器，接收除被測信號外，還有一個基準信號.通常基準信號是和信號同步的對稱方波或正弦波，用以驅動相關器的電子開關電路.相關器的作用是完成被測信號與參考信號兩者互相關函數運算.從理論上講用一個模擬乘法器和一個積分時間為無窮大的積分器，就可以把深埋在任意噪聲中的微弱信號檢測出來.

圖1 典型鎖相放大器框圖

2 基于LabVIEW的鎖相放大器的實現

根據參考信號源有方波和正弦波兩種方式，本文以方波作為參考信號的鎖相放大器.這種設計將參考信號設定為方波并輸入相敏檢波器(PSD)的參考端,所測信號作為它的另一個輸入.

無干擾的標準正弦信號作為輸入信號和不同相位的方波相乘后得到的波形（的波形）如圖2所示.

圖2 信號相乘所得波形

因為方波的傅里葉展開式中sin ［（2n +1 ）ωr］項的存在，以方波作為參考信號的設計會使系統對輸入信號中ωr的奇次倍項諧波也發生響應，即系統對奇次諧波的抑制能力有一定限度.故使用方波為參考信號的系統尤其需要在信號通道中設置帶通濾波器或高通、低通兩個濾波器以及調諧放大器，以便對混雜在被測信號中的干擾和噪聲先進行一定程度的抑制，加強整個鎖相放大器對噪聲和干擾的抑制能力.

根據上述原理可在LabVIEW下制作鎖相放大器，共分為輸入信號（包括微弱信號和噪聲）及其濾波，參考信號（兩路參考信號相位差固定，參考相位精密可調），數據處理和計算，測量值顯示以及后級濾波等部分構成，通過調節參考信號的相位得到輸出最大值，此時兩信號相位相同，即可得出輸入信號的相位.利用兩路有固定相位差參考信號與輸入信號的關系還可以直接測得所測信號的幅值并顯示出來.

儀器前面板的設計盡量符合真實儀器的效果，有直接數值輸入、轉盤、垂直滑動桿開關、按鈕等多種形式的輸入控件，也有儀表盤、直接數值輸出和波形圖等多種顯示方式，使得儀器的使用方式盡量直觀，操作盡量方便.鎖相放大器前面板如圖3所示.

圖3 鎖相放大器前面板

儀器的程序框圖使用了循環結構使其持續運行，直至按停止鍵或系統出錯為止.整個程序自左至右依次實現的功能大致是：波形采集和處理（左下），參考信號發生（左上），數據運算和處理，顯示輸出.儀器的程序框圖如圖4所示：

輸入信號（待測信號）由Express選板中的“仿真信號”獲得，“仿真信號”控件可以產生已知頻率、振幅和相位的正弦波等波形，并可以在波形上疊加各種強度可調的模擬噪聲信號（如高斯白噪聲，周期性隨機噪聲，二項分布噪聲，泊松噪聲等），以達到真實輸入信號的效果.輸入信號通過前面板左下角的“參考信號”部分進行調節，可改變其幅值、頻率、相位和直流偏移（在原波形上疊加直流信號）.噪聲的幅值和類型也可控制.

圖4 鎖相放大器程序框圖

參考信號的獲得也可選用外部參考，使外部參考信號通過數據采集卡采集到系統中來.此處系統采用的是內部的方波波形生成來得到參考信號，因為內部生成的參考信號參數比較穩定，參數的調節和控制方便，移相時直接改變生成信號的相位即可.參考信號的調節由前面板上的“參考信號”一欄完成，可調節方波的幅值，頻率，相位，占空比等，其中參考信號的相位可精確調節（精確到0.1o），以獲得被測信號的相位信息.采樣信息包括每秒采樣率（Fs）和每次采樣波形的采樣數，參考信號的采樣信息應與對被測信號的采樣向協調.

由于鎖相放大器常用以檢測微弱信號和處于較大噪聲環境下甚至被噪聲淹沒的信號，前級應對信號上疊加的噪聲做初步處理.系統中在前級對信號處理包括濾波和放大，濾波使用的是Labview提供的帶通濾波器，可通過前面板的數值輸入控件調節濾波的高截止頻率和低截止頻率，還可在程序框圖中調節濾波器的類型和階數.系統中使用的是7階巴特沃茲濾波器.放大用來使輸入的小信號與參考信號的幅值相當.

前面板的四個顯示控件分別顯示出輸入信號的波形和頻譜（功率譜）和信號經濾波放大后的波形和頻譜.然而濾波器的引入使得測量信號幅值有一定程度的衰減，并且引進了一定的相位偏移，即使得通過濾波器后的信號相位與最初輸入時不同，所以參考信號的相位只能表征相對的相位差，不代表輸入信號的絕對相位.

3 鎖相放大器測試

利用“模擬波形”對儀器進行了初步測試，讓儀器測量被高斯白噪聲淹沒的0.1V正弦信號，獲得了信號的幅值和測量量關于相位差變化的曲線，如圖5所示.

圖5 工作時的鎖相放大器前面板

參考相位從0o到360o，每5o取樣測得的測量值變化曲線.橫軸為角度，縱軸為幅值.可見得到一條帶有相位偏移的正弦曲線，與理論計算相符.若采用更長的平均次數，即更長的后級濾波時間系數，可以使數據的抖動起伏更小.被測信號相位偏移由前級的帶通濾波電路造成，所以當調整輸入信號和參考信號相位都為時0o兩路信號相交匯時相對相位差并不是0o.

圖6 隨相位變化的測量值曲線

4 結論

通過設計和制作基于LabVIEW的鎖相放大器，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比.可用于檢測信噪比很低的微弱信號，達到鎖相放大器的主要技術指標，實現了數字化、虛擬化等“硬件軟化”的目的.

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[2]鄭對元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設計[M].北京:清華大學出版社,2012.

[3]楊維初,謝海明.基于LabVIEW的鎖相放大技術在OCT中的應用[J].儀器儀表用戶,2007，(5).

[4]朱云輝,江曼松.基于虛擬儀器技術和互相關原理的流體流速測量儀[J].儀器儀表用戶,2005，(4).

責任編輯：張隆輝

TN98

B

1672-2094(2014)04-0155-03

2014-05-03

黃世瑜（1978-），男，四川廣安人，四川職業技術學院電子電氣工程系講師工程碩士.研究方向：電子測量、電子設計自動化。