基于FPGA的多通道同步数字锁相放大器

针对多通道弱信号检测的需求,提出了基于FPGA的多通道数字锁相同步检测技术方案。锁相放大器的相敏检波和低通滤波功能采用数字互相关算法实现。通过理论分析,优化了系统设计参数,减少了离散化效应和量化误差对锁相高次谐波抑制能力和动态储备的影响,并用仿真程序对互相关算法和选定的参数进行了验证。所研制的基于FPGA的四通道同步数字锁相放大器具有体积小和成本低等特点,其动态储备达100 dB,极限检测灵敏度达到10 nV,输入噪声密度为■,通道隔离度大于80 dB。     

锁相放大器的研究进展

锁相放大器可同时在时间与幅度两个维度实现高精度信号测量,是精密系统测控的关键部件.本文以锁相放大器的概念、技术与应用的概貌作为导引,先以模拟、数字以及虚拟锁相放大器的主要关系与区分方法说明锁相放大器的发展演变,继而按照锁相环的阶与型从数学角度对锁相放大器进行分类.随后介绍锁相放大器的幅度、频率与相位噪声等主要性能的测试流程与计量标定进展,讨论相位噪声、时域抖动、阿伦方差等关键指标之间的换算关系以及和幅度噪声之间的耦合关联.最后,列举锁相放大器在光谱增强、阻抗分析、磁性测量、显微成像、空间探测领域的应用形式与效果,通过一些新型应用展望它通过智能计算、精准物联等途径从科学仪器走向工业甚至民品的前景.     

功能性近红外光谱系统及锁相放大器算法的研究

功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)技术是一种新兴的非侵入式光学技术,该技术可以测量脑皮层的功能性活动信息。介绍了单通道fNIRS系统的开发,为了验证系统的性能,2人参与了算数运算任务,获得了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化。锁相放大器在fNIRS系统中可以很好地提取淹没在噪声中微弱的光强信号,但是模拟锁相放大器价格昂贵,对多通道系统来说是很大的负担。设计了数字锁相放大器算法,通过与模拟锁相进行比较,结果表明设计的数字锁相放大器可以取代价格昂贵的模拟锁相放大器。     

数字正交锁相放大器的研制及其在甲烷检测中的应用

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时,为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度,研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理,设计谐波提取算法,给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1%~5%的甲烷样品以及研制的锁相放大器,开展气体实验.实验结果显示,当甲烷浓度为5%时,在二次谐波对应的频率点处,测得的系统信噪比为34dB,表明设计的锁相放大器具有较好的性能;测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系;考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间,检测系统的响应时间约为96~98s;气体浓度为20 000ppm时,测试浓度波动范围为-92ppm~+118ppm;根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比,本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成,在红外气体检测领域具有很好的应用前景.     

一种测量较微弱信号的尝试

本文利用数字锁相放大器原理，提出了改善信噪比的尝试方法。     

锁相放大器在光谱实验中的一个应用

锁相放大器是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器,在科学研究中有着广泛的应用。因此,培养学生掌握这方面的技术和应用,在物理实验教学中,是一个很有意义的课题。本文介绍锁相放大器在He—Ne激光旁侧光谱的研究中的应用。     

一种双光路单探头吸收光谱同时测量方法

本文介绍一种带源补偿的吸收光谱测量方法，利用锁相放大器选频放大和相干接收的特点，和双光路分光，由单探头同时接收源光强和透射光强。     

利用数字锁相放大器对甲烷气体进行谐波探测的实验研究

利用数字锁相放大器探测了甲烷气体位于6 105.369 4 cm-1处的弱吸收线的高次谐波,并通过计算机实现了对数字锁相放大器的远程控制,用Visual Basic 6.0编制了一套通信应用程序,界面友好。实验结果与理论分析相吻合,充分验证了数字锁相放大器用于探测微量气体直接吸收光谱的高次谐波,能获得相当好的信噪比。可利用此结论对弱吸收线进行探测,从而为高灵敏探测污染气体提供了一种简单有效的实验方法。     

准连续激光调制吸收光谱的解调方法研究

针对准连续激光调制吸收光谱谐波信号的解调,设计了一种专用的准连续软件锁相放大器,对采集的数据做有效性判断、 无效数据滤除、 数字相敏检测、 数字滤波等处理,实现了准连续激光调制吸收光谱的谐波信号解调。 构建气体检测实验系统,对准连续软件锁相放大器和商品化的高性能锁相放大器进行了对比实验,结果表明,使用准连续软件锁相放大器的Allan方差比后者小1个数量级、 检测限低2倍。 并能够解决小占空比时的信号失锁问题,具有小的信号波形失真。     

基于CIC的数字正交锁相放大器的甲烷检测实验研究

针对甲烷在大气中背景气体成分复杂、检测难度大、稳定性差等问题,本文基于可调谐二极管激光吸收光谱技术和波长调制光谱技术,将积分梳状滤波器与有限脉冲响应滤波器相结合应用于数字正交锁相放大器,开展大气中甲烷气体的痕量检测实验研究。实验表明,与传统的数字正交锁相放大器相比较,改进的数字正交锁相放大器提取的二次谐波信号的信噪比从38.61 dB提高到44.95 dB;将非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型应用于甲烷气体浓度反演,与经典的最小二乘法相比较,其均方根误差减小了0.907;通过16组浓度步进实验测试,该系统的实际检测下限为1 ppm;在压力为600 mbar,温度为25℃,甲烷浓度为50 ppm进行3 h的长期稳定性测试,检测的甲烷浓度变化范围为49.6~50.3 ppm,其标准差为0.0921 ppm。当积分时间达到56 s时,该系统的理论检测极限为25.6 ppb。积分梳状滤波器和非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型在红外气体检测方面具有较高的优越性和实用前景。     

利用锁定放大器测量微弱信号的实验方法研究

根据锁定放大器的工作原理,提出了利用锁定放大器检测微弱信号的实验方法。并指出了影响测量的几个参数。     

基于石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)的实时探测系统研究

利用石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)结合基于Lab-VIEW设计的数字 频率锁定技术建立了一套气体实时探测系统, 该方案使用3f信号作为误差反馈信号, 将激光器锁定在待测气体吸收峰的中心位置, 保证了长时间测量的准确度并且提高了探测效率. 实验中采用中心波长位于1.396 μm的DFB半导体激光器作为光源, 选择常压下空气中的水汽作为研究对象, 对系统性能进行了测试, 并对影响影响系统探测灵敏度的主要因素进行了分析. 实验结果表明, 该系统可以将激光器稳定在± 0.001 cm^-1范围内, 对激光器长时间工作时的波长漂移起到了很好的抑制作用, 系统的检测限约为1 ppm, 该方案可以直接应用于工业气监测、痕量污染物实时测量等领域.     

双向反射率测量中锁相放大器的设计

均匀材料表面除镜反射方向的其他散射方向光辐射强度都较微弱.采用信号参量估计中行的最大似然估计,应用相关检测技术,利用被测信号与背景噪声不相关特性,设计了适于微弱光电信号检测的装置--锁相放大器.对金刚砂反射天顶角-55°～55°范围测量的实验结果与双向反射率(BRDF)模型比较显示,在可见光0.632 8 μm波段,误差为3.43%;近红外1.34 μm波段,误差只有0.01%.该锁相放大器适用于材料表面双向反射率的测量.     

基于锁定放大器的声速测量法

介绍一种用锁定放大器替代示波器确定声波相位,进行声速测量的方法.利用锁定放大器的高灵敏度、高信噪比的特点,能有效地提高实验装置的抗干扰性和测量准确度,被测量对象也可由原单一频率的超声波改变为任意频率的声波.本实验不确定度<5%,若采用更精密的仪器,实验不确定度很容易达到0 5%.     

Wide-Bandwidth Biological Impedance Spectroscopy System Based on the Digital Lock-In Technique

The spectra of biological impedance can reveal physiological conditions and biological events of biological samples. This paper presents the development of a novel biological impedance spectroscopy system using an improved digital lock-in technique. The hardware of the system mainly consists of a current source, a voltage detector, a clock generator, and a field-programmable gate array (FPGA) device. Digital phase-sensitive detection algorithms including direct digital synthesis, digital multipliers, and digital filters were implemented in the FPGA. Test results show that the proposed spectroscopy has good performance from low frequency to 5 MHz with 1% accuracy. It will be suitable for high-accuracy biological impedance spectra analysis in either in vitro or in vivo conditions.     

利用傅里叶分析法测量光相位延迟器延迟量

为了精确测量光相位器的延迟量,提出了一种新的测量方法,并利用米勒矩阵理论分析了影响测量结果的因素。测量系统主要由起偏棱镜、标准四分之一波片、检偏棱镜、锁相放大器和微处理器构成。该方法利用最小二乘算法得到了最优傅里叶系数,利用锁相放大器的窄带滤波作用提高了信噪比,利用反馈环控制系统对步进电机的步进角进行了控制。误差分析表明这一方法的绝对误差小于0.29°,对四分之一石英波片相位延迟量进行了实验测试,结果表明其重复测量误差小于0.40°。     

Advanced time-resolved absorption spectroscopy with an ultrashort visible/near IR laser and a multi-channel lock-in detector

Ultrashort visible-near infrared (NIR) pulse generation and its applications to ultrafast spectroscopy are discussed. Femtosecond pulses of around 800 nm from a Ti:sapphire laser are used as a pump of an optical parametric amplifier (OPA) in a non-collinear configuration to generate ultrashort visible (500–780 nm) pulses and deep-ultraviolet (DUV, 259–282 nm) pulses. The visible-NIR pulses and DUV pulses were compressed to 3.9 fs and 10.4 fs, respectively, and used to elucidate various ultrafast dynamics in condensed matter with a sub-10 fs resolution by pump-probe measurements. We have also developed a 128-channel lock-in amplifier. The combined system of the world-shortest visible pulse from the OPA and the lock-in amplifier with the world-largest channel-number can clarify the sub-10 fs-dynamics in condensed matter. This system clarified structural changes in an excited state, reaction intermediate, and a transition state. This is possible even during molecular vibration and reactions via a real-time-resolved vibronic spectrum, which provides molecular structural change information. Also, ultrafast dynamics in exotic materials like carbon nanotubes, topological insulators, and novel solar battery systems have been clarified. Furthermore, the carrier-envelope phase in the ultrashort pulse has been controlled and measured.