低噪聲高增益鎖相放大的微弱信號檢測系統

王 琦 , 蔣川東 , 杜海龍

(1. 吉林大學 通信工程學院, 吉林 長春 130000; 2. 吉林大學 儀器科學與電氣工程學院, 吉林 長春 130000)

微弱信號的檢測成為一種十分重要的研究手段[1-2]。鎖相放大器因具有可靠性高、檢測能力強、通用性高等特點,廣泛的應用于微弱信號檢測領域。地面核磁共振信號(magnetic resonance sounding,MRS)是一種微弱的窄帶信號[3-4],一般只有納伏級(10-9V),常規檢測系統難以實現納伏級信號的檢測。

美國SIGNAL RECOVERY公司相繼推出了多種鎖相放大器,其多款產品一直處于該行業的頂尖水平[5-6]。美國斯坦福公司研制了SR830鎖相放大器,法國研制了TE9822C型鎖相放大器等，日本NFCORP公司推出了LI5630/LI5640型鎖相放大器。近年來,南京大學、中國科學院物理研究所以及安徽光學精密機械研究所均針對鎖相放大器進行了研究,且部分實現了產品商業化[7-11]。上述鎖相放大器在一般測試環境下均體現出優越的性能,但是無法在野外實現納伏級微弱信號的檢測,且體積龐大,難以實現專用儀器(比如地面核磁共振找水儀)的集成。

本文基于鎖相放大技術,利用低噪聲高增益放大模塊、雙鎖相放大模塊及NET0824采集模塊對被測信號進行濾波、放大、采集和控制,設計了一種便攜式適用于納伏級信號檢測的鎖相放大系統。

1 系統整體設計

微弱信號檢測系統主要由程控放大模塊、鎖相放大模塊、NET0824采集與控制模塊組成,系統整體框圖見圖1。待測信號經過程控放大模塊濾波和放大后,作為鎖相放大模塊的輸入信號,鎖相放大器輸出為信號的同相分量Vx和正交分量Vy,通過NET0824模塊中的24位高精度ADC進行數據采集,利用網口與上位機進行通信和波形顯示。其中NET0824模塊中的ARM和FPGA的控制信號經過74HC595實現串行I/O轉并行I/O,實現對程控放大模塊和鎖相放大模塊的增益倍數、高低通截止頻率和鎖相相位等參數的配置。同時,控制信號對AD9850進行配置,產生〗固定頻率的正弦波作為鎖相放大模塊的參考信號。

圖1 系統整體框圖

2 信號調理與采集電路設計

2.1 程控放大系統

為實現低信噪比環境下對微弱信號的高增益放大,本文設計的程控放大模塊原理框圖如圖2所示。程控放大模塊包括特低噪聲放大器,輸入本底噪聲為2 nV·Hz-1/2,放大倍數K1=10；程控放大器1和2分別用于信號放大(K2=1～100)和衰減(K3=0.01～1),可防止信號飽和；低通和高通濾波器,通帶截止頻率為3 Hz～10 kHz,阻帶截止頻率為0.1 Hz～3 kHz,因此帶寬最大為10 kHz；程控放大器3將濾波后信號再次放大K4=1～100倍；末級放大器為電壓跟隨器,K5=1。因此程控放大模塊的總放大倍數K總=K1K2K3K4K5=0.1～105,并按照1、2、5、10的規律變化。

圖2 程控放大模塊原理框圖

2.2 鎖相放大模塊設計

綜合考慮鎖相放大器的性能及體積,本文設計的雙鎖相放大模塊見圖3,放大倍數固定為100倍。利用AD9580芯片為鎖相放大器提供參考信號,其中晶振為40 MHz,頻率精度可達9.31×10-3Hz。AD9850輸出的參考信號經過過零整形產生同頻方波,然后根據需要,可選擇0°、90°、180°、270°的相移量,產生2個相互正交的方波。相關器對被測信號進行相關處理,輸出被測信號的同相分量和正交分量。在信噪比極低的情況下,檢測出有用的窄帶微弱信號[12-13]。鎖相放大器的時間常數可調整為1 ms～3 s,根據噪聲水平,選擇合適的時間常數能夠有效提高檢測信號的信噪比。

圖3 HB-292(V-1)型高性能雙相鎖相放大器原理框圖

2.3 系統采集與控制模塊設計

為實現微弱信號的高精度,高速率及多通道同時采集,本系統選用NET0824完成控制、采集和通信3大功能。該采集模塊的轉換精度為24位,采樣速率最高為105.469 kHz,本系統選擇52.734 kHz。

NET0824中的ARM和FPGA是本系統的控制核心。系統上電以后,首先對74HC595進行配置從而實現對程控放大模塊和鎖相放大模塊參數的配置,同時對AD9850信號發生器進行配置并選擇參考信號的頻率；然后在上位機中利用LabVIEW 軟件編程進行控制[14],通過網口通信將NET0824設置為定長采集模式,每次采集1 s數據。設置程序框圖見圖4。AD采集后,通過網口通信將數據上傳至上位機,并顯示出被測信號的同相分量Vx、正交分量Vy和信號包絡Vr。

圖4 定長采集設置程序框圖

3 系統測試

3.1 程控放大模塊測試

為了測試程控放大模塊的性能,使用動態信號分析儀測量了通帶范圍內的增益G曲線,結果見圖5。由圖5可看到,程控放大模塊在1 kH～3 kHz通帶內較平坦,設置增益從0.1～105,在2 kHz處實際增益為0.08～8×104。在增益小于1的衰減階段,系統受環境的噪聲影響,增益曲線存在毛刺。

圖5 程控放大器增益曲線

3.2 鎖相放大系統測試

為了驗證本文設計的微弱信號檢測系統的實用性,利用任意信號發生器產生核磁共振信號和φ=0 rad,信號持續1 s)進行測試。用空心線圈發射該信號,在一定距離外,放置接收線圈,利用本系統對耦合接收到的信號進行檢測,設置3個通道分別采集被測信號的同相分量Vx,正交分量Vy和信號的包絡幅度Vr,測試結果如圖6所示。可以看到,由于時間常數為30 ms,采集結果的峰值前面有約50 ms延遲。利用曲線擬合得到測量信號同相分量、正交分量和信號包絡的初始(t=0 s)幅度分別為ex=1242.68 mV,ey=1459.26 mV和er=1916.76 mV。根據可以驗證采集結果的準確性。經測試,此時鎖相放大系統的總體放大倍數為8×107,因此,該系統能夠實現對納伏級窄帶信號的有效采集,且放大倍數達到設計指標。

圖6 系統測試結果

4 結語

基于低噪聲高增益鎖相放大的微弱信號檢測裝置,利用NET0824采集模塊作為檢測裝置的控制中樞,將程控放大、鎖相放大、高速采集、網口通信等模塊有機結合,實現了對納伏級窄帶微弱信號的有效檢測。該系統將模擬電子技術、單片機原理及通信原理等知識有機結合在一起,有利于提高學生的動手能力及綜合能力,可作為電子信息工程、測控技術及儀器等專業的綜合實驗課程內容。

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