基于鎖相放大的近紅外光譜信號提取電路研究

鎖相放大技術(shù)是提取淹沒在噪聲中的微弱信號的重要手段之一,廣泛應(yīng)用于近紅外光譜測量領(lǐng)域。文章中介紹了一種模擬與數(shù)字相結(jié)合的鎖相放大檢測電路,對電路的設(shè)計思路,設(shè)計要點配以相關(guān)電路圖進行了詳細闡述,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,并且算法簡單,運算量小,可以成功應(yīng)用于近紅外光譜信號的提取,信噪比可達到73dB。

1. 引言

近紅外光譜分析是利用近紅外譜區(qū)（波長范圍約為 0.8—2.5 微米）包含的物質(zhì)信息， 對有機物質(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 等各個領(lǐng)域。近紅外光譜測量屬于微弱信號檢測范疇，物體在近紅外波段吸收系數(shù)小，光 譜重疊現(xiàn)象嚴重，故對儀器的信噪比提出很高的要求。

鎖相放大技術(shù)是檢測淹沒在噪聲中微弱信號的重要手段，1962 年，美國EGG PARC(SIGNAL RECOVERY 公司的前身)的第一臺鎖相放大器(Lock-in AMPLIFIER，簡稱LIA) 的發(fā)明，使微弱信號檢測技術(shù)得到標志性的突破，極大地推動了基礎(chǔ)科學和工程技術(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)字信號處理的方法實現(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)放大后嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；數(shù)字鎖相放大器對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)雜算法實現(xiàn)信號和參考信號的互相關(guān)運算，運算量較 大[3]。

論文設(shè)計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) 實現(xiàn)光譜信號的提取，即作為核心的相敏檢波器用模擬乘法器（即同步解調(diào)器）實現(xiàn)，輸 出信號經(jīng)由AD 轉(zhuǎn)換和串口通訊傳入計算機，再進行后期的數(shù)字信號處理。該電路不需要 高速的AD 轉(zhuǎn)換芯片和微處理器，簡化了后期復(fù)雜運算，同時由于集成度高，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 儀平臺時，儀器信噪比達到73dB，遠優(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輸入信號和被移相的與調(diào)制信號同頻的參考信號進行 相敏檢測，實現(xiàn)頻譜搬遷過程，再經(jīng)過低通濾波器將噪聲濾除，使輸出對信號的幅度和相 位都敏感，達到鑒幅和鑒相的目的[4]。

一般鎖相放大器由三部分組成：信號通道、參考通道和相關(guān)器。信號通道的作用是將 伴有噪聲的輸入信號放大，并經(jīng)過濾波或選頻對信號通帶以外的噪聲進行初步去除；參考 通道的作用是提供一個與輸入信號同相的方波；相關(guān)器是一種完成被測信號與參考信號兩 者互相關(guān)函數(shù)運算的電子線路，從而實現(xiàn)頻率由交流到直流的變換。

3. 電路系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的信號通道

輸入光為光源照射樣品后的反射（或透射）光強，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轉(zhuǎn)換為電信號。由于傳感器具有直流偏壓，后續(xù)的放大電路 也會帶來不可避免的閃爍噪聲，所以直接測量所得的直流信號會被淹沒在強大的背景噪聲 下。在輸入光與傳感器之間加入由無刷直流電機驅(qū)動的斬光盤，可以對光信號進行頻率調(diào) 制，照射傳感器后得到具有一定頻率的交流信號，避開對直流信號的測量[5-6]。 信號通道由前置放大器和帶通濾波器組成，其作用是將弱信號放大到足以推動相關(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，從而擴大儀器的動態(tài)范圍。 前置放大器是鎖相放大的第一級，由于被測信號很弱，前置放大器必須具備低噪聲高 增益的特點，所以對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。在進行 電路設(shè)計時，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)的動態(tài)范圍，OPA111 輸出的信號應(yīng)經(jīng)過帶通濾波后，再進入相關(guān)器進行 相敏檢波。系統(tǒng)選用TI 公司的有源濾波器模塊UAF42，其內(nèi)部集成了一個反向放大器和 兩個積分器，組合起來可實現(xiàn)緩沖、增益、低通、高通、帶通等功能。與用運放和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，不受運放頻率特性限制等優(yōu)點。

根據(jù)廠方提供的仿真軟件，系統(tǒng)對UAF42 的參數(shù)進行了設(shè)計，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成分 的三次諧波衰減到誤差以內(nèi)就可以了，故對Q 值要求不高)，同時增益盡可能高的帶通濾波器。

綜上，系統(tǒng)的信號通路如圖 1 所示。

圖 1 信號通道

3.2 參考通路

參考信號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，故可做到與輸入 信號同頻。傳統(tǒng)方法是將該光耦元件產(chǎn)生的信號直接作為參考信號輸入至相關(guān)器，然后通 過調(diào)整光耦元件相對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的上升沿和下降沿，通過調(diào)節(jié)滑動變 阻器可對輸入信號前后沿分別進行延時，配合D 觸發(fā)器實現(xiàn)電路移相的功能。該移向電路 簡單可靠，可以實現(xiàn)0 到180 度的無極調(diào)節(jié)；由于可以分別對前后沿進行操作，還可以實 現(xiàn)對脈寬的調(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，是整個系統(tǒng)的靈魂，它的線性度和動態(tài)范 圍決定了系統(tǒng)的弱信號檢測水平。 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 和運放連 接構(gòu)成相敏檢波和低通濾波的功能。將運放A 的輸入端接信號通道，將比較器的輸入端接 同步參考信號，則基于同步解調(diào)原理，參考信號同步的選通和關(guān)斷運放A，使得AD630 可作為鎖相放大器中的同步檢波器使用。

AD630 等效于將兩片運放和開關(guān)式乘法器集成在 一個芯片內(nèi)，實現(xiàn)了高精度解調(diào)，動態(tài)范圍達到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，經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換后傳入計算機進行后期的數(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。實際應(yīng)用中，由于存在板間分布電容，傳輸線之間的串擾等噪聲因素，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)換芯片之間進行SPI 通訊，獲得AD 轉(zhuǎn)換輸出信號，并 對信號進行預(yù)處理和保存。再將單片機與計算機之間建立串口通訊協(xié)議，最終在計算機上 實現(xiàn)對信號的二次濾波和其他相關(guān)去噪處理。

3.5 實驗

實驗平臺選用以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)速達到±1%，可測量波長1680nm-2