基于DDS双相锁相的微弱信号矢量测量01

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查看: 2441回复: 1 发表于 2019-12-30 09:49:21   只看该作者
摘要:
本文存在于所要检测的信号比较微弱而且淹没在强噪声背景下的情况中,提出了通过双路AD9954产生的DDS正弦波来激励乘法器式相敏检波器以实现相关算法的策略。在前端使用可编程增益放大仪表放大器,再检波后经过低通滤波,又通过24位E-△型AD进行过采样和积分,同时实现了数字低通滤波的功能。最后通过MSP430驱动小型低功耗液晶输出菜单和结果。


作品简介(设计目标,详细指标要求)
◆>设计目标锁相放大器是一种检 测淹没在噪声种微弱重复(交流)信号的测量仪器。
本赛提的任务是:
1.设计一个锁相放大器
2.使用锁相放大器测量小电阻的阻值详细指标
1. 基本要求:设计一个锁相放大器
a.工作频率: 2kHz
b.输入电阻>=100k 欧姆
c.最小可测电压: 10 uv
d.电压测量范围: 10uv-10mv
e.噪声抑制能力: 20dB
f. 内部参考信号源可以产生2khz, 1vpp的参考信号

◆发挥要求
(1)改进性能
a.扩展工作频率: 100Hz- 10KHz
b.减小最小可测电压: 1uv

c.扩大电压测量范围: luv- 100mv
d.提高噪声抑制能力: 40dB

◆改进参考信号源
a.参考信号频率: 100HZ- 10KHz,步进1Hz
b.参考信号幅度: 0. lvpp-5vpp ,步进0.1v

◆增加相位检测功能
360度范围现实被测信号与参考信号的相位差,显示误差不大于6度

◆应用锁相放大器测量小电阻的阻值
a.设计使用锁相放大器测量微小电阻的方案
b.实际测量毫欧级电阻的阻值对比标称值


二。作品实现
2.1设计方案论证
◆2相位锁相信号发生模块
[方案一]使用FPGA,采用CORDIC算法输出两路正弦,余弦数字信号,经高速DA输出,其相位控制字,频率控制字等皆可改变,信号输出纯正。本方案一旦建立,则系统全部依靠FPGA- DSP处理,短期内实现难以保证其稳定性。

[方案二]采用双路DDS9954 的主从同步模式,来进行信号的同步和相位的自调整,这样能够保证主从两路的相位差保持一定以达到优异的锁相效果,而且DDS9954频谱纯正,步进和振幅都容易调整,而且我们也积累了一些DDS调试的经验,利于上手。因此采用方案二。

◆分档放大部分
[方案一]采用继电器进行换档,通过单片机控制ULN2803进行自动控制换档来实现档位的调整,不过这种方案使用维电器比较多,电路显得比较复杂。
[方案二]利用可编程增益仪表放大器PGA204, PGA205进行放大,这种方式是可用单片机灵活控制增益放大,而且抑噪能力强,所以选择方案二。

◆锁相放大实现部分
[方案一]在FPGA产生参考信号的基础上以一一个比参考信号频率高得多的采样频率对输入信号进行采样,相关乘法和FIR迭代窄带数字滤波,最后经高速DA输出所求信号。此种方法偏向数字化处理,外围电路大大减少。但是考虑到系统测试的功能要求很多,如果用纯数字的方法来实现不容易实现所有功能,而且程序很复杂,开发周期也很长,不利于竞赛。
[方案二]通过相移网络或者锁相环的方式得到相应参考信号,再通过方波控制场效应管的开合来达到相敏检波的作用,最后通过低通窄带滤波来达到抽取有用信号的目的,本方案趋向于模拟和分立,短期调试起来精度不会达到很高,故舍弃。
[方案三]采用专用相敏检波芯片MD630, 后接低通滤波器来实现积分,经24位E-△型AD进行过采样数字低通滤波,最后用液晶显示测量数据。这种方    案配合之前的DDS9954方案,具有比较综合而且实做起来模块化的特点,最终选择方案三。

◆AD 采样模块
[方案一]采用MSP430F149内置AD采样,这种方案比较普通,精度不高,对前端的分档要求比较高,使得前端的电路变得复杂,而且也没有积分的功能.
[方案二]使用TI的24位E△型模数转换器ADS1255,ADS1255具有系统自校差,积分和数字滤波的功能,达到的18位的分辨率(最后6位跳变)可以使得前端的分档减少,电路简单容易实现,而且积分功能正好符合相敏检波后积分的需要,所以选择方案二。

2.2理论分析
2.2. 1锁相放大器基本原理介绍
1962年美国EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身)的第一台锁相放大器(Lock-in Amplifier,简称LIN) 的发明,使微弱信号检测技术得到标志性的突破,极大地推动了基础科学和工程技术的发展。锁相放大器主要由信号输入通道,多考输入通道、相敏检波器和正交相敏检波器、输出通道、微处理器和辅助数字部分组成。输入通道包括信号输入、低噪声前置放大、电流电压转换、放大和组合滤波器。其典型结构如图。


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锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器,锁相放大器的输出是一个直流电压,正比于是输入信号中某一-特定频率(参数输入频率)的信号幅值。而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。两个正弦信号,频率都为1Hz, 有90度相位差,用乘法器相乘得到的结果是一一个有直流偏量的正弦信号。

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如果是一一个1Hz和一个1.1Hz的信号相乘,用乘法器相乘得到的结果是:

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其结果是一个交流调制波,基频是1Hz,幅频是0. 1Hz。

从上面的分析看来,只有与参考信号频率完全-致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏量,其他信号在输出端都是交流信号。如果在乘法器的输出端加一一个低通滤波器,那么所有的交流信号分量全部被滤掉,剩下的直流分量就只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。

2.2.2相敏全波检波原理
在方案中采用AD630,实现相敏全波检波。AD630内部有两个可以用信号控制,轮流开关的运放,只要在控制端输入PSD信号(即基准0°或90相位信号),在两个运放的输入端输入相位相反的信号,就可以实现全波检波输出。其检波原理如下:


01.jpg

2.3系统框图和软件流程
系统框图:

01.jpg

软件流程图:

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2.4系统使用的主要TI器件
2.4.1. UAF42
由于我们的前级放大器最大放大倍数可达50000,所以50Hz工频对电路的影响很严重,所以我们用两片TI公司的通用有源滤波器UAF42级联构成工频陷波器,选择UAF42的主要原因是其使用简单且构成的滤波器品质因数高。

2.4. 2. INA129
因为前级要放大的信号最小时为微伏级信号,所以必须采用高共模抑制比、高输入阻抗的精密仪用放大器,INA128 不仅又这些性能,而且其宽泛的供电电压,低温漂等优越的性能是我们的系统更加稳定。

2.4.3. PGA204
由于题目要求测量的信号的幅度范围很宽为1uV100mV,而我们放大后的信号幅度在500mV为最佳,因而需要分档放大,PGA204作为TTL和COMS兼容的程控仪用放大器,由两位逻辑电平控制其放大倍数为1、10、100、1000V/V, 这里使用PGA204可以很容易的实现分档。

2.4.4. ADS1255
虽然信号经过像敏检波器后又通过了截止频率为1Hz的低通滤波器,但是由于低频噪声等的干扰,信号并没有转化成直流,仍然又- -定的波动,故这里应该采    用E-△积分型AD对其进行采样,而ADS1255正是一款优秀的二-△积分型AD,它24-Bit的分辨率可以是前级放大的分档变得简单,而且ADS1255具有系统自校准和数字低通滤波等功能,进一步提高了系统的性噪比。

2.4.5. THS4021
DSS9954产生的正弦信号幅度较小,大约为500mV左右,而题目要求最大输出幅度为5V,故需要将其放大,由于DDS最大输出频率大于20MHz,故需要采样高速运放,这里选择THS4021的主要原因是其压摆率高达450V/us, 并且题目要求可以测相位,其正负电源供电使得不需要加隔直电容,保证了相位测量的准确性。

三、所使用TI模拟器件简介
3.1硬件设计注意事项及小窍门( 如运放的滤波,稳定性,ADC 的模拟,参考电压的处理,PCB 设计的小技巧)

3.1.1电源的稳定性由于我们要放大的是微伏级电压和皮安级电流,所以对电源的要求很苛刻,普通的三端稳压电路(图1)难以满足我们的要求,故这里我们使用高质低噪的伺服电源(图2)。


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3.1.2运放使用注意事项
a、运放电源的滤波电源对运放的性能又很大的影响,特别是放大微弱信号时电源显得尤为重要,一般为了特高运放的性能,通常使用图9的电路减小电源的影响,两个小电容C1、C2 要尽量靠近运放。

b、电容在运放中的使用由于运放都有一定的带宽,当输入信号的带宽超过它时会带来很大的噪声,故在使用运放是通常在输入是加上R3和C1 (如图5 )构成的低通滤波电路,截止频率略小于运放的噪声,R和C大小的选择要根据信号频率确定,原则是C的阻抗要远大于R的阻抗,R的阻抗遥远小于运放的输入阻抗。当系统对相位敏感是,应该加上C2 (如图6 )对相位进行补偿。


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3.1.3 PCB设计的小技巧
a、与噪声源隔离的方法当用单片机或者其它敏感芯片控制电机等噪声器件时。应该在输出端与噪声之间加隔离电路,如图3。
b、模拟地与数字地分离用地线把模拟区和数字区隔离,数字地和模拟地分开,最后在接入电源地,如图4。


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C、减小高频噪声对IC干扰的方法。在设计PCB时,为了减少高频噪声的干扰,应该在每个IC上并接一个0.01 ~0. 2uF的高频滤波电容,如图5
d、减小关键相邻两线回路环面积,提高敏感器件的抗干扰能力,如图6。

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3.2 TI 软件的使用
3.2.1 FilterPro 的使用。
源自德州仪器的FilterPro程序使有源低通滤波器的设计工作变得更为轻松。该程序可辅助设计低通滤波器并实现多反馈点(MFB)拓扑。由于在某些场合    Sal len-Key滤波器拓扑更为优秀,因此该程序也支持Sallen- Key低通滤波器的设计。打开软件如图7。使用步骤如下:
1) 在电路类型选框内选择极点对电路: MFB或Sallen-Key, 我们选MFB。
2)在滤波器类型选框内选择滤波器类型:Butterworth(巴特沃兹)、Chebyshev(切比雪夫)、贝赛尔(Bessel),我们选Butterworth。
4)输入所需的极点数: 1 to 10 (对贝赛尔或切比雪夫型而言,至少2极点),我们选2.
5) 输入滤波器截止频率: 1 mHz至100 MHz, 我们选lHz.
7)如 果希望改变电阻量值(resistor scaling),可在R1 Seed输入框输入。电容值也会做相应的改变,我们选默认值。
8)如果希 望改变部件的增益,可在相应的增益输入框内填入所期望的数值。默认增益值为1.0-V/V每部件,我们选默认值。
9) 如果希望自定义的电容值,可在C1或C2输入框内输入。该操作将导致籽电阻(seed resistor) 输入无效,我们选默认值。
10) 如果希望采用标准的1%误差电阻(取代严格精准的电阻)进行设计,可点选1% Resistors确认框,我们选默认值。设计完成如图8。


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四、MSP430使用
4.1外设接口状况

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4.2编程感想及软件设计注意事项。
4.2.1编程感想:使用IAR开发环境,其编程C语言和其他C语言没有太大的区别,十分容易上手,而且能够方便的进行在线调试,使软件的开发周期极大地缩短,加快了产品的开发速度,同时也降低了成本。

4.2.2软件设计注意事项:
4.2.2-1除非特殊情况,晶振的初始化使用固定的格式,这样可以进一-步节省时间,加快开发速度。

4.2.2-2对于I0口的使用-定要遵循先初始化再使用的顺序,否则容易出错,得不到自己预期的结果。

4.2.2-3对于延时来说,长时间延时时最好使用定时器,但对于短时间精准延时,还需使用软件延时,即执行空操作延时。

五、作品达到的性能指标。
1. 系统测试方法
测量仪器及材料
数字示波器一台(TEKTRONIX), 康铜丝若干根,LCR数字电桥-一台(YB2812)
测试校准方案
输入测量范围由系统噪声决定,所以第一步就是测量系统的低噪声。将系统输入接地,得到的电压既是噪声电压。
微阻的测试方案
由于测量的电阻微毫欧级电阻,传统测试方法在测试过程中由于引线电阻的引入会带来误差,因此我们使用四线电阻法进行测量(如图15所示)。


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2. 测试性能概览测量
数据和分析
1) 微弱电压测量值
测试方法:2KHz微弱电压测量值,用制作的电压衰减网络获得微弱电压。


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2)测量亳欧级电阻值(康铜丝)
测试方法:利用等比例长的康铜丝测试,以数字电桥测量结果为标准,进行对比。

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3)测量信号相位差
测试方法:使用DDS同步出一定相位差的两路信号,即双路DDS用作精确数字移相器,产生一定的数字相位偏移,

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4) 其他功能

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5) 创新发挥和突出表现部分
①放大电路,滤波电路,AD采样电路全部使用TI芯片制作,测量部分用MSP430F149实现;
②DDS 双路相位跟踪信号源,用双路DDS达到了双相锁相的效果,两路信号相位差任意可调,比用模拟锁相环实现的跟踪锁相带宽范围大,而且更为精确。
③微弱信 号测量值达到约0. 3uVrms,超过题目要求的10uVrms;
④做出了完整的测试方案,包括测试校准方案,多路电压衰减网络,相位测量方案。


3.误差分析
◆微弱幅度测量数据分析:
在这里我们所有测得值均为峰峰值。题目要求的是Vrms, 所以要除以2. 818(1.414*2),故最小可测约0.3uVrms (要求最小可测10uVrms),题意只需要测试结果按比例变化,而我们采用的是直接显示结果,可以看出有些结果与标准值不是非常符合,这是由于标准值的不确定性引起的(强噪声背景),所以只需要结果基本按比例变化(题目要求),已经达到指标。

◆毫欧级 别电阻测试数据分析:
在实测中发现数字电桥显示值不稳定,在一定范围内变动,这可能是由于数字电桥的老化和康铜丝测试接触点不同导致测量有效长度不同所引起的。而我们的系统中使用的ADS1255的具有比较良好的积分滤波功能,而且软件算法中我们也使用了中值滤波算法,所以数据相对稳定。

◆相位测量数据 分析基本上在各个相位达到了比较理想的效果,误差在题目要求6°误差范围以内。

◆信号源扩展功能数据分析通过在系统放大电路使用精密仪表放大器,噪声抑制能力和输入阻抗很好地达到了要求指标。由于使用了双路DDS9954,所以系统的外接功能也得到了实现,除此之外,参考信号源的各项指标很好的得到了实现。

其他测量数据比较多,略去不表。


4.进一步改进
经过一次又一次地调试,系统微弱电压uV级别测量方面做到了0.3uVrms,在mV级电压也毫不逊色;在微阻测量方面做到了比市售数字电桥更稳定。在测量方面,制作了双路跟踪相位DDS信号发生器和电压衰减网络,微阻也做了测量台,做出了完整测试系统。整个系统非常完善,测量方案也很合理。但是由于时间和比赛关系,没有继续做测电容,测电感等比较有意义的其他创新部分。

在下一步改进中,我们考虑改进:
◆将本系统扩展为可以测量电容,电感,电阻的精密数字电桥;
◆扩展微弱电流 (pA级别电流测量);
◆扩展无线操控,语音报告结果;
◆扩展触摸屏操作,更加方便的用户界面;
◆扩展一体化操作台,屏幕显示用户操作帮助文档:
◆扩展Labview 虚拟机上位机实时系统通信。

这些即将改进的扩展功能将使本系统更具可观性和可操作性。


六、作品图片

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