主动数字扫描式锁相放大器
LY_DLIA_0424使用与二次开发手册实事求是精益求精
天津瀚阑电子工作室天津市南开区南丰里12-2-503
联系人刘先生
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目录
第一章锁相放大概述 (1)
1锁相放大..................................................................................................................................................12LY_DLIA_0424LY_DLIA_0424..........................................................................................................................................................................................................................................................................33锁相放大重要参数说明.. (4)
4第二章LY_
LY_DLIA_0424DLIA_0424原理概述..................................................................................................................................................................661参数说明..................................................................................................................................................62原理与器件选型说明..............................................................................................................................73锁相放大功能与性能直观验证过程.. (9)
9第三章LY_LY_DLIA_0424DLIA_0424使用与二次开发详细说明 (12)
121硬件接口介绍........................................................................................................................................122软件操作介绍........................................................................................................................................142.1波形编辑软件.....................................................................................................................................142.2LIA 控制台介绍..................................................................................................................................21PS 解调信号频率设计：......................................................................................................................................................................................................................................................22223keil4下的固件二次开发简要介绍.. (24)
附件1：性能测试实验..................................................................................................30附件2：应用本锁相放大器搭建TDLAS 系统应用示例与测量结果示意 (36)
36
第一章锁相放大概述
1锁相放大
锁相放大，是微弱信号检测的重要手段；
从频域上来说，锁相放大，实际为，取一段长度为时间参数的样本，做傅里叶变换，并取出与参考频率同步的信号的有效值；与傅里叶变换相比，锁相放大，只计算某一特定频率的信号，不用计算与该频率无关的信号，与傅里叶变换所作出的计算该信号的所有频率成分与大小相比，在电路简易，计算方便快捷，数据精确度都有很大优势；
从时域来说，锁相放大，最直观的展现就是，两路频率纯正的信号相乘，如果两路信号同频与相位差稳定，会得出一个直流分量与高频分量（三角函数的积化和差）
()cos cos ()()()
r s t t t t e e s r t ωωων
νντ+?+Φ????=?=()(){}
1cos cos 22
r s e t t e ωωω?+Φ++?+Φ????=如果两路信号频率相等，相位差稳定，结果变化为1/2(e r e s cos(Φ)+cos(2ωt +Φ)),即包含一直流成分与高频成分；
锁相放大在时域上采用互相干原理，详细讨论如下：
锁相放大器，其实是常用相关检测原理，所谓相关就是指两个函数间有一定的关系，如果他们的乘积对时间求平均（积分）为零，则表明这两个函数不相关（彼此独立）；如不为零，则表明两者相关。相关的概念，按两函数的关系又可分为自相关和互相关两种。由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都是采用互相关检测原理。
如果)(1t f 和)(2τ?t f 为两个功率有限的信号，则可定义其相关函数为：
lim 1/2()()12()T R T f t f t dt T l ττ=?∫?→∞
令：
()()11()()()22
()f t n t s t f t n t r t νν=+=+其中)(1t n 和)(2t n 分别代表于待测信号)(t s ν及参考信号)(t r ν混在一起的噪声。lim 1/2()()()12()()T R T n t t n t dt
r T s t l νντττ???????????????
???=+?+?∫?→∞dt t n t n t n t V t n t V t V t V T T
T r s r s l )]()()()()()()()([21lim
2112ττττ?+?+?+?=∫
?∞→()()()()
2112
R R R R sr s r ττττ=+++由于噪声的频率和相位都是随机量，它的偶尔出现可用长时间积分使它不
影响信号的输出。因而可以认为信号和噪声，噪声和噪声之间是互相独立，相关函数为零，则：
lim 1/2()()()Y R T t v t dt s r T ντττ=?∫?→∞
由此可知，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。
根据相关检测的原理设计的相关检测器是锁定放大器的心脏。
图6-4锁相放大信号处理示意图
通常相关器由乘法器和积分器组成。乘法器有两种：一种是模拟式，另一种是开关式。常采用方波做参考信号，而积分通常由ＲＣ低通滤波器构成。
待测信号：cos ()t
t e s s ων=参考信号：()cos ()r t t e r ωωντ+?+Φ????
?=式中τ为两信号的延迟时间，他们进入乘法器后，变换输入为)
(t ν
()cos cos ()()()
r s t t t t e e s r t ωωων
νντ+?+Φ????=?=()(){}
1cos cos 22
r s e t t e ωωω?+Φ++?+Φ????=即由原来以ω为中心频率的频谱变换成以ω?及ω2为中心的频谱。通过低通滤波器后，和频信号被滤出去，于是
cos()()t t Ke e o s r ων?+Φ=（Ｋ为低通滤波器的传输系数有关的常数）
若有两个信号频率相同，则0
=?ωcos ()s r e t Ke o νΦ
=如果两个信号的相位差稳定，则，锁相放大器的输出为，一稳定直流信号。
2LY_LY_D D LIA_0LIA_0424
424LY_DLIA_0424，为主动数字扫描式锁相放大器，属本团队推出锁相放大二次开发板卡。数字锁相放大，即，信号经过简单的放大，抗工频干扰等处理，立即经高速高分辨率AD 进入数字系统，滤波，相敏检波，以及相敏检波后的低通滤波，全部使用数字方式实现；数字方式实现的信号处理，较模拟相比，一不受环境温度等影响，二精确度分辨率均大幅度提高；特别对于锁相放大系统，锁相放大前产生的噪声，可以为相敏检波所消除，但相敏检波本身以及之后的低通滤波器产生的噪声，切严重影响锁相放大的结果，对于精密，高分辨率应用，必须严格控制；采用数字PSD 与数字滤波器，可以达到设计指标等同于应用指标的效果，只要算法，位宽等根据需求定下来，整体锁相放大性能与效果即可确定，实际效果随应用环境，并无太大出入，此点为模拟锁相放大器非常难以做到的优势；当然，数字式锁相放大算法复杂，数据运算处理速度非常高，此点模拟锁相占较大优势，模拟锁相放大器设计简单，在精度与稳定性要求不是极端的高的场合适合采用模拟方案；
本板卡采用FPGA 实现高速DSP 处理，并将数据无混叠下变频到一个合理的速度，交给arm-cortex m3内核意法半导体STM32F103芯片做进一步处理与二次开发；ARM cortex-M3性能优越，STM32在中国市场占有高，资料齐全，同时本团队有针对STM32F103推出的单片机开发板，为板卡的二次开发提供了天然的简易
性，快速性，可使高性能高要求的应用项目大幅度缩短开发周期，加快面市速度；3锁相放大重要参数说明
锁相放大器，和外差震荡式收音机，差不多。微弱信号的放大，由于噪声非常强，通常为了躲开1/f噪声，通常人为调制到一个比较高的频率去，做交流放大；和收音机的电台使用几百兆的电磁波发射声音信息是一样的；
三个重要的参数，共同决定了锁相放大器在这三个参数下的信号处理性能（说是信号处理性能，不说是锁相放大器的性能，是因为，这里提的这三个参数决定的处理结果，是在理想状态下的，和一台具体的，多好的锁相放大器，或者不好的，没有关系，适当根据自己的应用，调节这三个参数，比选一台高档的锁相放大器更重要）
1调制频率F
2时间常数T
3十倍频程S
三个参数，共同决定了锁相放大器的噪声抑制能力；
锁相放大器，为一高Q值带通滤波器，
Q=TF/2，
而十倍频程，S则决定了该带通滤波器的阻带衰减。
=-S*log((f-F)/(F/2Q))(设f>F)
A
f
提高时间常数与提高调制频率，均能提高锁相放大器Q值，模拟一般能达到1000的Q值，数字的，则可以达到10的6次方以上.在于，数字在低频处理上，实现积分器，非常方便，数字信号处理的特点是，速度越低，越有利，因而可以大幅度提高时间常数；
示例
F=10k,T=100ms，S=20db/dec,求该锁相放大器，对10.1K信号的衰减；
解：Q=10000*0.1/2=500，则信号通带为
F+-F/2Q即10K-10hz到10K+10hz
对于f=10.1K有
Af=-S*log((f-F)/(F/2Q))=-20db*log(10)=-20db;
即衰减为20db，信号为原来的0.1；
如果我们用运放搭一个带通滤波器，我们是，没有办法区分10K和10.1K的信号的，对于一般的滤波器，他们两个被看成是相等的频率，然而，锁相放大器却能轻松把他们分开，而且F=10k,T=100ms，S=20db/dec，这个参数，是一般的锁相放大器都能做到的，并不需要太昂贵或者高端的锁相放大器才能做到这个参数；从这里我们可以看成，利用锁相放大来实现对无用噪声的抑制，和一般的模拟滤波器相比，能力非常强；
当然如果信号靠的太近，比如，10.001，这时，这个参数的锁相放大器，就分不开了，和电台频率相差太近，就会发现同时能听到两个台的收音节目，道理是一样的；没有什么是绝对好与不好，都是有适用范围的；
只要了解锁相放大的理论，就知道，没有锁相放大能抵抗同频干扰，我们能做的，是根据我们的应用，调制参数，选择仪器；100ms的时间常数不能衰减10.001K 的信号，那10s的，就可以了。中国北斗导航系统和欧洲的伽利略卫星定位系统现在正因为频道问题吵着架，如果同频干扰能那么容易抵抗，这将会是一个国际闹剧。
DLIA_0424原理概述
第二章LY_
LY_DLIA_0424
1参数说明
LY_ALIA_0424为一高性能数字锁相放大器,亦为锁相放大相关项目高性能二次开发核心板卡。主要参数如下：
一扫描信号输出参数
满偏电压输出：400mV-2V（旋转板卡输出幅度控制电位器）
输出阻抗：100欧姆
输出方式：数字直接合成
输出分辨率：14位
输出采样率：64Mhz
波形存储深度：256*1024
输出信号样式调整方式
：PC端软件调整，下载至板卡（见波形设计软件使用手册）匹配参考信号通道
：2通道，数字调整频率
调制信号与参考信号同步性能
：扫描信号与参考信号来源于同一时钟，无相位漂移问题二锁相放大输入参数
输入方式：电压输入（电流输入需加IV转换，或购买本团队推出VI程控放大模块）
输入范围：-1.25V-+1.25V
输入带宽：2M
输入阻抗：100M
程控增益：1-128倍（1248163264128八档可调，见开发包使用说明）；
有效调制频率：0.015hz-50Khz
高效调制频率：1Khz-25Khz
时间常数：（1ms-100s）软件调节，见开发包使用说明
十倍频程：20db/dec，40db/dec，80db/dec三档可调
+-1V量程分辨率
：1μV
128倍增益分辨率
：0.01μV
极限动态范围：120db
2原理与器件选型说明
如图2.1，信号的模拟处理流程为，高阻抗输入，精密程控放大，抗工频干扰，抗混叠，AD转换。
高阻抗输入，与精密程控放大，选型为ADI公司PGA AD8231，详细参数见AD8231数据手册。
抗混叠滤波，采用自举双T陷波网络频率为50hz100hz，Q值为10，OPA选型为AD8629，详细参数见AD8629数据手册；
抗混叠为RC无源滤波，由于sigma-deta型AD采样自身具有抗混跌效应，无需高性能抗混叠滤波器；
AD采样芯片为德州仪器TI ADS1675，采样率最高4M，本方案采用1M；24位分辨率；详细参数见ADS1675数据手册
FPGA选型EP2C35F484内嵌70个9*9高速乘法器，LE为33216,二百万门规模，本应用，LE不能少于25000，乘法器不能少于50个9*9乘法器；
MCU选型STM32F103VCT6，主频72M，每秒10万次浮点乘法能力；
扫描信号输出DAC选型为DAC904U，最高频率200M，位宽14bit，详细参数见DAC904数据手册；
图2.1系统原理框图
本款锁相放大较其他锁相放大器，最大的特点，在于对低频信号的调制为主动数字调制（可以是正弦调制，也可以是驱动步进电机的脉冲，通任意波形发生器给出，见第三章软件操作介绍一栏），不需要再额外考虑调制信号发生系统和解调信号的保真传输，以及两路信号的相位稳定等问题；如图2.2所示，主动调制与被动调制的区别，上图为常用测量方案，下图为本板卡搭建的测量系统的测量方案。
图2.2被动调制（上）与主动调制（下）
3锁相放大功能与性能直观验证过程
本锁相放大器为主动扫描式锁相放大，调制扫描信号输出，经过检测系统，进入锁相放大输入通道；对于功能测试，可直接经过一个，BNC对联线，进入锁相放大系统，构成一个检测回路；此时，锁相放大检测到的R值（见开发包详细说明），即为输出信号的幅度值；为检测锁相放大器性能指标，需要一衰减器，将输出扫描信号衰减到μV级别，以检测锁相放大性能，如图2.3所示；
图2.3锁相放大功能与性能测试验证方案
功能测试概述
锁相放大，功能，即从噪声中提取感兴趣某一特定频率的大小；只验证锁相放大器的功能，先把性能放在一边，那么直接给一个该频率的正弦信号不含任何噪声，输出即为一直流信号，该直流信号直接反应该正弦信号的幅度；如果输入正弦信号幅度变了，锁相放大结果也会跟着变，变大或变小；如果我改变该信号的频率，比如，同样的调制频率，那么，输出应该为0；（锁相放大器为一高
Q值带通滤波，该Q值取决于调制频率与时间常数，见第一章锁相放大概述第三
小节锁相放大器重要参数说明）
对于性能测试，我们需要做一个信号衰减电路，因为本板卡输出正弦信号，最小可能也有几MV，这对锁相放大器来说，可是一个非常大的信号，我们把他衰减到10μV-100μV这个量级；然后，使用一个噪声源，提供一噪声信号，这个噪声信号，只要别让锁相放大器过载，就可以了（限制在正负1V以内）；然后，这个微小的有用信号，和噪声信号，通过加法器，进入锁相放大器，看看，锁相放大的结果，能否反映有用信号的线性变换（即，我将输出增加1倍，输出相应增加一倍，实际结果，需要标定，并且建议根据二次开发应用对结果进行标定），同时改变噪声的强度，看噪声的改变，是否不影响锁相放大结果；
如果对LY_DLIA_0424有输入的了解,可以用数字合成的方式，提供噪声与信号叠加的输出信号，通过与功能测试相同的方法，或者直接用BNC线对联，进行性能测试。
附上本团队对本板卡性能测试与评估的实验方案与数据，结果；
DLIA_0424使用与二次开发详细说明
LY_DLIA_0424
第三章LY_
LY_DLIA_0424主要操作均在MCU内部进行，我们提供一简单的工作程序，以验证机器本身功能，以及简单的观看输出结果与记录数据的文档；
1硬件接口介绍
如图3.1，左起分别为：
PC端接口-连接电脑，用于上位机采集数据，显示数据，已经刷新扫描波形；
扩展按键-下面一排5个按键，左1为复位，其余为普通按键。对于样例，按键用于进入刷新扫描信号模式，可自己定义按键功能；
扩展IO口-像一搬的单片机开发板一样，本板卡预留了为数不少的IO口用于扩展板卡的功能，方便2次开发；且板卡扩展IO口与本团队出品液晶显示模块兼容，样例为将扩展IO口用于显示数据；
JTAG接口-stm32的程序下载，调试，在线仿真的接口；
扫描输出通道-主动扫描信号输出，用于给出测试系统的激励源，把低频信号调制到较高的中频信号；
锁相输入-锁相放大信号输入通道；
电源接口-本板卡需正负5V电源，使用本板卡配套电源方案即可；
图3.1硬件接口介绍
板卡硬件连接方式如图3.2所示，根据所需，连接PC或不连，在原有固件上，便可显示锁相放大输出结果；
图3.2接口连接方式
控制本板卡的参数，有
1扫描波形的设计，包括幅度，频率等
-在波形编辑软件LY_AWG上完成
2参考信号设计（锁相放大解调信号），仅频率一个参数；
-在波形下载软件LY_LIA_CONSOLE上完成
3锁相放大器放大倍数（0-1288档可调）
-在keil4的主程序完成，仅一个函数
4锁相放大器时间常数
-在keil4的IIR.H里面完成，通过修改宏定义来完成
2软件操作介绍
2.1波形编辑软件
波形需设计的参数有波长（多少个数据组成的波形），和每个位置对应的幅度（即组成波形的数据的大小）。
先给一个设计参数的概念说明，对于一个编辑好的波形，以一个波长为64000的正弦波，峰峰值为20000，即波形半幅为10000，中央偏移为32768（输出的0V 位置）的波形，对于实际参数为（默认频率控制字的情况下）
周期T=64000（设计波长）*1/64000000hz（晶振周期）=1/1000（s）；
频率F=1/T=1000K；
对于上面出现的64M的晶振周期，实际上，是波形更新数据的时钟，即驱动输出的信号，从存储的波形的一个地址，进入下一个地址的脉冲信号，这个信号越快，输出信号频率越高；
如果输出频率仅靠调节波长无法完成，可使用频率控制字调节，频率控制字可以改变晶振的周期，晶振周期默认64M，对于一个频率控制字FW，新的晶振周期为
Fxtal=64M*FW/8192;
FW的默认值为8192，即晶振频率默认为64M；
输出的峰峰值，可以用电位器调节，输出满偏电压（0或者65535对应电压）为400-2000mv，峰峰值为20000，则对应（0.4V-2V）*20000/65536可调；
然后是正弦波的直流分量问题，32768的中央偏移，没有直流分量
对于波形上的任意一点，0-65535对应实际电压-2V~+2V，32768对应0V；
1-波形编辑
打开主程序LYAWG(开始-程序-LYAWG-LYAWG)
（目前程序在XP，win7上进行了测试，正常；对于没有安装framework的计算机，如果程序运行不了，可以先对计算机进行运行环境支持注册，方法为开始-程序-LYAWG-LYAWG运行环境注册）
1新建波形文件file-new
图 3.3波形文件视图
本程序采用windows标准文档视图框架，操作与各类文件编辑类似。
文件窗口分为三部分，左上角为波形操作部分，左下角为波形函数表，右边为波形图
对应右边视图，左击为放大，右击为缩小，滚轮上下移动。鼠标放于波形，
能显示鼠标所在位置坐标。
下面重点介绍波形操作虚拟面板：
图3.4波形操作面板
2波形操作
2.1视图操作与文件版本
这部分，四个按钮是可操作的，是用来放大波形视图的，其作用不会更改波形数据；另两个窗口是readonly的；
2.2波形编辑
波形编辑，会改变波形数据
波形编辑，首先要确定操作范围；比如2000个点的波形，要先把操作的范围确定下来，比如，0到999前半段，或者0到1999全程；以下操作均对该范围进行；&除了载入导出波形与波形复现；
对于各操作，有操作参数的，均先填出操作参数，再点击按钮；
垂直偏移，即上下移动，在右边填上正或负整数；注意让波形保持在0到65535内；
截取波形，即指把选中的波程截下来，不要其他范围波形比如，1000个点的正弦波，操作波程为500到999，截取后，得到的波形为，500个点的，正弦波下半部分；
垂直缩放即放大缩小，操作数为浮点数，就是是一个小数，填上一个，0.5，则把波形缩小为原来二分之一；
全程赋值，即让选中的波形等于一个统一的数值，0到65535；
载入波形文本与导出导出功能为，把波形保存到一个txt里面，格式为每个点一行，每出一行回车；编码格式为ansi；目前不支持格式转换；可以用记事本的格式转换功能转换以下；
对于载入波形文本，是为方便用户用txt格式编辑波形（抑或程序抑或手工抑或其他软件），如abc.txt，里面内容
20
30
40
50
60
载入后，可以得到，波形长度为5，各点幅度为2030405060的波形；导出波形文本则可以方便其他程序的应用；
波形复现功能，是为在横向复现多个波形；比如，编辑得到100个点的正弦波，波形复现四次（即在按键右边填上4再点击按钮），可以得到波形为500个点的五个周期的正弦波,如果操作参数为1，可得到波形长为200，两个周期的正弦波（仅仅举例子说明功能，我们不建议您在最终波形文件使用完全重复的波形，因为编辑的波形文件下载到机器后是循环扫描输出的，呵呵，定义一个周期和多个周期效果一样，但定义多个周期浪费了SRAM的速度，对展现复杂波形的细腻程度没有好处）；
2.3波形交互操作
是支持多个波形的组合得到新的波形；
对于波形交互操作，是先把两个以上波形编辑好（本软件支持多文档编辑），如图；
操作时，选一个为最后选取的波形文件，再该文件的波形操作面板的交互操作栏，填上被操作波形的标题（文件左上角的标题，），如果波形标题存在，会在操作波形的视图用灰色线描上被操作波形；（图 3.5）
图3.5本软件支持多文档编辑，可以同时编辑多个波形
图3.6软件打开（或新建）了两个波形文件