基于鎖相放大的近紅外光譜信號(hào)提取電路研究

鎖相放大技術(shù)是提取淹沒在噪聲中的微弱信號(hào)的重要手段之一,廣泛應(yīng)用于近紅外光譜測(cè)量領(lǐng)域。文章中介紹了一種模擬與數(shù)字相結(jié)合的鎖相放大檢測(cè)電路,對(duì)電路的設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)要點(diǎn)配以相關(guān)電路圖進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并應(yīng)用在以PbS做傳感器的濾光片型近紅外光譜儀中。應(yīng)用結(jié)果表明該電路與原有模擬鎖相放大電路相比,具有較高的精度和穩(wěn)定性,并且算法簡(jiǎn)單,運(yùn)算量小,可以成功應(yīng)用于近紅外光譜信號(hào)的提取,信噪比可達(dá)到73dB。

1. 引言

近紅外光譜分析是利用近紅外譜區(qū)（波長(zhǎng)范圍約為 0.8—2.5 微米）包含的物質(zhì)信息， 對(duì)有機(jī)物質(zhì)定性和定量分析的一種技術(shù)[1-2]，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、紡織業(yè)、制藥業(yè)、生物醫(yī)學(xué) 等各個(gè)領(lǐng)域。近紅外光譜測(cè)量屬于微弱信號(hào)檢測(cè)范疇，物體在近紅外波段吸收系數(shù)小，光 譜重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，故對(duì)儀器的信噪比提出很高的要求。

鎖相放大技術(shù)是檢測(cè)淹沒在噪聲中微弱信號(hào)的重要手段，1962 年，美國(guó)EGG PARC(SIGNAL RECOVERY 公司的前身)的第一臺(tái)鎖相放大器(Lock-in AMPLIFIER，簡(jiǎn)稱LIA) 的發(fā)明，使微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)得到標(biāo)志性的突破，極大地推動(dòng)了基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā) 展。鎖相放大器根據(jù)相關(guān)器中相敏檢波器的不同，分為模擬鎖相放大器和數(shù)字鎖相放大器。 模擬鎖相放大器的相敏檢波器是模擬乘法器，而數(shù)字鎖相放大器用數(shù)字信號(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)相敏檢波的功能。

傳統(tǒng)的模擬鎖相放大器由于各元件間分布電容和運(yùn)放參數(shù)的不匹配不可避免的引入噪 聲，噪聲經(jīng)放大后嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；數(shù)字鎖相放大器對(duì)AD 芯片的轉(zhuǎn)換速度和微處 理器的處理速度要求較高，后期用復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)和參考信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算量較 大[3]。

論文設(shè)計(jì)了一種近紅外光譜提取電路，該電路采用模擬和數(shù)字相結(jié)合的鎖相放大技術(shù) 實(shí)現(xiàn)光譜信號(hào)的提取，即作為核心的相敏檢波器用模擬乘法器（即同步解調(diào)器）實(shí)現(xiàn)，輸 出信號(hào)經(jīng)由AD 轉(zhuǎn)換和串口通訊傳入計(jì)算機(jī)，再進(jìn)行后期的數(shù)字信號(hào)處理。該電路不需要 高速的AD 轉(zhuǎn)換芯片和微處理器，簡(jiǎn)化了后期復(fù)雜運(yùn)算，同時(shí)由于集成度高，在精度和穩(wěn) 定度上比模擬鎖相放大器有明顯進(jìn)步。在將該電路應(yīng)用于以PbS 做傳感器的濾光片型光譜 儀平臺(tái)時(shí)，儀器信噪比達(dá)到73dB，遠(yuǎn)優(yōu)于原有系統(tǒng)。

2. 鎖相放大的原理與結(jié)構(gòu)

鎖相放大器是利用相敏檢波器對(duì)輸入信號(hào)和被移相的與調(diào)制信號(hào)同頻的參考信號(hào)進(jìn)行 相敏檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)頻譜搬遷過程，再經(jīng)過低通濾波器將噪聲濾除，使輸出對(duì)信號(hào)的幅度和相 位都敏感，達(dá)到鑒幅和鑒相的目的[4]。

一般鎖相放大器由三部分組成：信號(hào)通道、參考通道和相關(guān)器。信號(hào)通道的作用是將 伴有噪聲的輸入信號(hào)放大，并經(jīng)過濾波或選頻對(duì)信號(hào)通帶以外的噪聲進(jìn)行初步去除；參考 通道的作用是提供一個(gè)與輸入信號(hào)同相的方波；相關(guān)器是一種完成被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)兩 者互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算的電子線路，從而實(shí)現(xiàn)頻率由交流到直流的變換。

3. 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的信號(hào)通道

輸入光為光源照射樣品后的反射（或透射）光強(qiáng)，系統(tǒng)采用PbS 作為led/' target='_blank'>光電傳感器，將 所需近紅外波段的輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于傳感器具有直流偏壓，后續(xù)的放大電路 也會(huì)帶來不可避免的閃爍噪聲，所以直接測(cè)量所得的直流信號(hào)會(huì)被淹沒在強(qiáng)大的背景噪聲 下。在輸入光與傳感器之間加入由無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的斬光盤，可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào) 制，照射傳感器后得到具有一定頻率的交流信號(hào)，避開對(duì)直流信號(hào)的測(cè)量[5-6]。 信號(hào)通道由前置放大器和帶通濾波器組成，其作用是將弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相關(guān)器 工作的電平，并兼有抑制和濾除部分干擾及噪聲的功能，從而擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍。 前置放大器是鎖相放大的第一級(jí)，由于被測(cè)信號(hào)很弱，前置放大器必須具備低噪聲高 增益的特點(diǎn)，所以對(duì)放大器和放大電路的選擇尤為關(guān)鍵。系統(tǒng)選用TI 公司的OPA111 做前 置放大器，OPA111的偏流最大不超過1pA是理想的低噪聲前置放大器。

由于 PbS 是電阻型傳感器，故輸入電壓可通過高壓偏置和取樣電阻分壓得到。在進(jìn)行 電路設(shè)計(jì)時(shí)，基于提高增益的穩(wěn)定性、頻率特性的平坦性和直線性的要求，還應(yīng)該減少輸入輸出間的相位變化，減小輸出阻抗，系統(tǒng)采用非反轉(zhuǎn)放大電路作為前置放大電路。

為增大系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，OPA111 輸出的信號(hào)應(yīng)經(jīng)過帶通濾波后，再進(jìn)入相關(guān)器進(jìn)行 相敏檢波。系統(tǒng)選用TI 公司的有源濾波器模塊UAF42，其內(nèi)部集成了一個(gè)反向放大器和 兩個(gè)積分器，組合起來可實(shí)現(xiàn)緩沖、增益、低通、高通、帶通等功能。與用運(yùn)放和R、C 自行搭建的濾波器相比，UAF42 由于是集成化程度較高的單片結(jié)構(gòu)，故具有受分布電容影 響較小，不受運(yùn)放頻率特性限制等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)廠方提供的仿真軟件，系統(tǒng)對(duì)UAF42 的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其成為中心頻率為斬 光頻率，具有一定Q 值(作為鎖相放大器的輸入帶通濾波器，一般來說只需要將信號(hào)成分 的三次諧波衰減到誤差以內(nèi)就可以了，故對(duì)Q 值要求不高)，同時(shí)增益盡可能高的帶通濾波器。

綜上，系統(tǒng)的信號(hào)通路如圖 1 所示。

圖 1 信號(hào)通道

3.2 參考通路

參考信號(hào)由外部的光耦元件提供，斬光盤的通斷產(chǎn)生光耦周期信號(hào)，故可做到與輸入 信號(hào)同頻。傳統(tǒng)方法是將該光耦元件產(chǎn)生的信號(hào)直接作為參考信號(hào)輸入至相關(guān)器，然后通 過調(diào)整光耦元件相對(duì)于斬光盤的位置來調(diào)整移相范圍。這種方法增加了調(diào)試難度，而且調(diào) 節(jié)精度較低。

系統(tǒng)增加了一路數(shù)字移相電路，該數(shù)字移相電路由異或門、可重復(fù)觸發(fā)的集成單穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器、與非門和D 觸發(fā)器組成，如圖2 所示。

圖 2 移相電路

MC14528 的兩路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分別提取輸入信號(hào)的上升沿和下降沿，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變 阻器可對(duì)輸入信號(hào)前后沿分別進(jìn)行延時(shí)，配合D 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)電路移相的功能。該移向電路 簡(jiǎn)單可靠，可以實(shí)現(xiàn)0 到180 度的無極調(diào)節(jié)；由于可以分別對(duì)前后沿進(jìn)行操作，還可以實(shí) 現(xiàn)對(duì)脈寬的調(diào)節(jié)。

3.3 相敏檢波

相敏檢波器作為鎖相放大技術(shù)中的乘法器，是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，它的線性度和動(dòng)態(tài)范 圍決定了系統(tǒng)的弱信號(hào)檢測(cè)水平。 系統(tǒng)選用平衡調(diào)制解調(diào)器 AD630 作為相敏檢波器件，如圖3 所示，AD630 和運(yùn)放連 接構(gòu)成相敏檢波和低通濾波的功能。將運(yùn)放A 的輸入端接信號(hào)通道，將比較器的輸入端接 同步參考信號(hào)，則基于同步解調(diào)原理，參考信號(hào)同步的選通和關(guān)斷運(yùn)放A，使得AD630 可作為鎖相放大器中的同步檢波器使用。

AD630 等效于將兩片運(yùn)放和開關(guān)式乘法器集成在 一個(gè)芯片內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了高精度解調(diào)，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100dB。

3.4 高精度 AD 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理

鎖相放大的輸出信號(hào)，經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換后傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)保存和處理。系統(tǒng) 采用TI 公司的工業(yè)型AD 轉(zhuǎn)換芯片ADS1255，ADS1255 是一款高精度的24 位Δ- Σ 型模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高達(dá)23 比特的無噪聲精度，非線性度為±0.0010%，數(shù)據(jù)采樣率最大可 到30KHz。實(shí)際應(yīng)用中，由于存在板間分布電容，傳輸線之間的串?dāng)_等噪聲因素，AD 轉(zhuǎn) 換的精度可保持在16 比特，基本滿足系統(tǒng)要求。

系統(tǒng)采用 C8051F020 與AD 轉(zhuǎn)換芯片之間進(jìn)行SPI 通訊，獲得AD 轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)，并 對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和保存。再將單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間建立串口通訊協(xié)議，最終在計(jì)算機(jī)上 實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的二次濾波和其他相關(guān)去噪處理。

3.5 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用以PbS 做傳感器的濾光片型近紅外光譜儀，該光譜儀斬光盤斬光頻率為 400Hz，穩(wěn)速達(dá)到±1%，可測(cè)量波長(zhǎng)1680nm-2