（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的数字锁相放大器研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 锁相放大器是用于检测微弱信号的装置，具有检测能力强、通用性强、可靠 性高等优点，因而在微弱信号检测中有着广泛应用。随着数字处理技术的发展， 出现了数字锁相放大器，数字锁相放大器克服了模拟锁相放大器的温漂和其他非 理想的低频特性，极大改善了锁相放大器的性能，使锁相放大器的研究发展和应 用得到了很大提高。 本文在调研了市场常见的数字锁相放大器的基础上，结合实验室已有的研究 成果，针对其中的不足之处进行改进，完成了一款基于f p g a 的数字锁相放大器， 并对其进行了全面而深入的分析和测试。 等效输入噪声是数字锁相放大器的重要指标，本文从前置放大器、a d 模块、 数字处理模块和d a 模块等四个部分分别进行了分析，分析了各个模块对系统噪 声影响，不但实测得到了噪声性能，而且通过分析明确了噪声的来源，这对以后 的噪声性能改进有重要意义。并测得在在前置放大器增益为3 4d b 的情况下系统 的零输入等效噪声可达到3 5n v q i - t z ，但是其噪声量是随着输入信号的频率和幅 度的增大而增大，通过分析和实测验证这是由于a d 采样时钟抖动引起的，同样 d a 产生载波的过程中也会有这种现象，这种现象可以通过采用高质量的专用时 钟系统进行消除。 同时对系统的整体性能进行了全面的测试，包括前置放大器的特性、等效输 入噪声、线性度、动态范围和温度特性。其中等效输入噪声在长时间内具有稳定 性，系统具有良好的解调线性度，在较小解调带宽的下系统具有1 0 0d b 以上的动 态范围。通过各模块的温度特性的测试，发现系统中前置放大器的增益温漂最大， 是系统温漂的主要来源，并测试得到在不合前置放大器和包含前置放大器两种情 况下系统的整体温漂，分别为1 2 0p p m o c 和8 8 0p p m o c 。并将测试结果与商用 锁相放大器s r 8 4 4 进行了对比，发现其不但在关键性能上优于或相当于s r 8 4 4 ， 而且在功耗、重量和体积方面有很大优势。 关键词：微弱信号检测，数字锁相放大器，f p g a ，等效输入噪声，温漂测 试 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el o c k - i na m p l i f i e r ( l 认) ，w i t ha d v a n t a g e so fh i 曲d e t e c t i o n c a p a b i l i t y , v e r s a t i l i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t y , a n dt h u si th a sw i d ea p p l i c a t i o n si nw e a ks i g n a l d e t e e t i o n , i se q u i p m e n tu s e dt od e t e c tw e a ks i g n a l s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i 醇a l t e c h n o l o g y , d i g i t a ll i a sh a v eb e e np r o p o s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e ，w i t h b e n e f i t so fl o w e rd r i f ta n do t h e rn o n - i d e a lc h a r a c t e r i s t i c st h a na n a l o g yl i a s s ot h e d i g i u dl i a sh a v eb e e nd e v e l o p e dg r e a t l yi nm a n ya p p h c a t i o n s o nt h eb a s i so ft h es u r v e yo ft h ee 虹s t i n gl n si n t h em a r k e ta n di nt h el a b o r a t o r y , ad i 班a ll 认b a s e do nf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) h a sb e e nd e v e l o p e d t h ei m p r o v e dd e s i g nh a sb e e nd o n ea c c o r d i n gt ot h ei n a d e q u a c i e so fb e f o r ed e s i g n t h ei n - d e p t hs t u d y , i n c l u d i n gn o i s ea n dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，h a sa l s ob e e n r e s e a r c h e da sa g o o dr e f e r e n c ef o rf u r t h e ri m p r o v e m e n td e s i g n t h ee q u i v a l e n ti n p u tn o i s ei sa l li m p o r t a n ti n d i c a t o ro ft h el l ，a n dt h u si ti sh a s b e e nd e e p l ya n a l y z e df r o mt h ef o u rp a r t s ，i n c l u d i n gt h ep r e a m p l i f i e rm o d u l e ，t h ea d m o d u l e ，t h ed i g i t a lp r o c e s s i n gm o d u l ea n dt h ed am o d u l e n o to n l yt h ea m o u n t so f n o i s ef o re a c hp a r ta n dt h es y s t e mh a v eb e e nt e s t e d , a n dt h es o u r c e so fn o i s ef o re a c h p a r th a v ea l s ob e e na n a l y z e d , w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tf o rf u r t h e rp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t s t h et e s t e ds y s t e me q u i v a l e n tm p u tn o i s et a i lb ea ss m a l la s3 5n v 、i - i z w h e nt h eg a i no ft h ep r e a m p h f i e ri s3 4d b u n f o r t u n a t e l yt h ea m o u n to ft h en o i s e i n c r e a s e sa st h ea m p l i t u d eo rt h ef r e q u e n c yo ft h ei n p u ts i g n a li n c r e a s e t h i si sd u et o t h ec l o c kj i t t e ro fa ds a m p l i n g ，w h i c hi sc o n f i r m e db yt h ea n a l y s i sa n dt h em e a s u r e d r e s u l t s t h ep h e n o m e n o na p p e a r sa tw a v eg e n e r a t i o nf r o md ai nt h es a m ew a y h o w e v e r , i tc a nb ee l i m i n a t e db yu s i n gh i g h - q u a l i t yd e d i c a t e dc l o c ks y s t e m a tt h es a m et i m et h ec o m p r e h e n s i v ei n d i c a t o r so ft h eo v e r a l ls y s t e mh a v eb e e n t e s t e d ，i n c l u d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r e a m p l i f i e r , t h es y s t e me q u i v a l e n ti n p u t n o i s e ，l i n e a r i t y , d y n a m i cr a n g ea n dt h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e me q u i v a l e n ti n p u tn o i s ei ss t a b l eo nt h et i m e ，t h es y s t e mh a sg o o d d e m o d u l a t i o nl i n e a r i t y , a n dt h ed y n a m i cr a n g ec a nb el a r g e rt h a n10 0d bw i t hs m a l l 浙江大学硕士学位论文a b s t r a o t d e m o d u l a t i o nb a n d w i d t h a c c o r d i n gt ot h et e s t e dr e s u l t so ft h et e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c so fe a c hm o d u l e ，i ts h o w st h a tt h el a r g e s tt e m p e r a t u r ed r i f ti sf r o mt h e p r e a m p l i f i e r , w h i c hi st h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h es y s t e mt e m p e r a t u r ed r i f t i th a s b e e nt e s t e dt h a tt h es y s t e mt e m p e r a t u r ed r i f ti nt w oc a s e sw i t ha n dw i t h o u t p r e a m p l i f i e rc a nb e 一8 8 0p p m o ca n d12 0p p m o cr e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，t h er e s u l t s h a v ea l s ob e e nc o m p a r e dw i t hs r 8 4 4 ，ac o m m o nd i g i t a lu _ ai nt h em a r k e t ，a n dt h e d i g i t a ll i a b a s e do nf p g ai sb e t t e rt h a no re q u i v a l e n tt os r 8 4 4i nm a n y k e yf e a t u r e s a n di th a sa d v a n t a g e si np o w e rc o n s u m p t i o n , w e i g h ta n dv o l u m e k e yw o r d s ：w e a ks i g n a l sd e t e c t i o n ，d i 西t a ll o c k - i na m p l i f i e r , f p g a , e q u i v a l e n t i n p u tn o i s e ，t e m p e r a t u r ed r i f tm e a s u r e m e n t 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 随着硕士毕业论文的完成，两年多的研究生生涯也即将结束。这两年多中， 即有迷茫和彷徨，也有充实和感动，这将是我人生的重要经历。在这一过程中， 得到了很多人的帮助，在这里向他们表示深深的感谢! 感谢我的导师马慧莲副教授的亲切指导和大力支持。感谢金仲和教授在科研 方面的言传身教，金老师敏锐的洞察力、严谨的科研作风和勇于创新的精神深深 地感染着我。感谢王慧泉老师在做实验和写文章方面给予的指导，让我掌握了很 多科研的方法。感谢刘义冬老师在电路实验和毕业论文过程中给予的指导和帮 助。感谢周柯江老师在日常学习中的指导和启迪，教会了我很多做人做事的道理。 感谢丁纯老师在生活上的关心和支持。 在论文完成过程中实验室成员给予了大力协作和无私帮助，特别感谢：任阳， 胡世昌，朱辉杰，王文怡等，你们的细心、勤奋不但分担了我很多工作，而给我 精神鼓舞。在此还要感谢闫社平，张霞，常旭，毛慧，鲍慧强，林伟俊，张大茂， 张斌，申越等已毕业的师兄师姐们的关心和支持。感谢实验室的陈妍，高海源， 俞旭辉，张顾洪，姚灵芝，游侠飞，孙众，赵科，阮晔锋，马铭骏，朱忠益，翟 策，刘杰等同学多年来的友谊和支持。 特别感谢我的父母和亲人们，你们的支持和鼓励是我前进的动力，是我最宝 贵的财富。谨以此文献给所有支持和帮助我的人，谢谢你们! 杨俊义 2 0 1 2 年2 月于求是园 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 锁相放大器是用于微弱信号检测的装置【l - 4 1 ，微弱信号有两个层面的涵义，一 方面是指被检测的信号幅度本身很微弱，另一方面是指被检测的信号相对于噪声 幅度是很微小的，即所要检测的信号淹没在噪声中。为了检测被噪声淹没的微弱 信号，人们进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因与规律，研究被测信号 的特点、相关性及噪声的特性，以寻找从噪声中检测出有用信号的方法。锁相放 大器是诸多微弱信号检测方法中检测能力强、通用性强、可靠性高的一种成熟的 方案，因而在检测微弱信号( 如弱光、弱电流和小电容等) 中有着广泛的应用【5 一， 使微弱信号测量精度得到了很大提高。 自1 9 6 2 年美国p r i n c e t o na p p l i e dr e s e a r c hc o r p o r a t i o n ( p a r c ) 公司研制出 第一台锁相放大器，经过近5 0 年的发展，国内外对于锁相放大器的研究取得了很 大的进步，从其检测频带、动态范围到检测精度都有了数量级的飞跃。同时随着 数字技术的不断发展，得益于数字信号处理方法的发展和电子器件性能的提高， 锁相放大器也由模拟型向数字型发展，数字锁相放大器克服了模拟锁相放大器的 温漂和其他非理想的低频特性，极大改善了锁相放大器的性能，使锁相放大器的 研究发展和应用得到了很大提高 1 0 - 1 2 】。 通常的电子器件本身噪声特性是，在低频处有较强的l 厂噪声，而高频处的 噪声基底要相对小很多，故检测低频处的微弱信号的方法是先将其调制至高频 处，然后通过同步解调得到检测结果；还有些系统( 如谐振式光学陀螺) 需要一 定的高频调制信号，所要检测的信息为该高频附近窄带宽的特性，故通常的锁相 放大器的工作方式为检测高频处的窄带宽内的信号特性。 1 2 常见数字锁相放大器 本论文主要研究数字锁相放大器，于是对数字锁相放大器进行了调研，调研 的常见数字锁相放大器的性能如表1 1 所示【1 3 - 1 5 。按结构方案来分，数字锁相放 大器可分为模拟下变频方案和直接数字采样方案两类。s r 8 4 4 采用模拟下变频的 方案，该锁相放大器根据外接信号源的同步信号，通过频率综合器产生正交的本 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 地载波，该载波是被中频调制过的，于是该信号和输入信号通过混频、带通滤波 后将所需信号变频至中频，然后在中频处进行放大并通过a d 数字化，最后在d s p 中完成中频解调和低通滤波得到最终的低频量。由于通过下交频，将宽频带的待 测信号降至中频，在带宽较小、频率相对固定的中频上进行滤波和增益调节，从 而具有频率范围宽、动态范围大和灵敏度高等特点。同时该方案的系统复杂度较 高，尤其需要高性能的频率综合器，而且模拟前端需要精心设计，因为在高频下 本地信号极易耦合至前端。 表1 1常见数字锁相放大器的性能对比 型号s i 璐4 4 h f 2 l i e l o c k l n2 0 4 厂家s t a n f o r dz u r i c hi n s t r u m e n t s a n f a f e c 结构模拟下变频直接数字采样直接数字采样 是否带载波发生 否 是 否 频率范围 2 5k h z 一2 0 0 0 7 时i z 一5 01 v i i zd c 一1 z 中频频率 2 1 2 k h zo0 采样频率4 8 9 6 k s s2 1 0 m s s4 0 m s s 采样位宽1 6 b i t1 4 b i tn a 输入噪声( 1 ) 2n v 4 h z ( 1 0 0k h z5n v n h z6 n v n h z 1 0 0m h z ) 满量程灵敏度1 0 0n v 一1 v 1n v 一1 5v 1 0 n v 一1 0 v 积分时间 1 0 0g s 一3 0k s 8 0 肛s 一0 5k s1 0 0 雌一1k s 重量 1 0 4 蚝 6 2k gn a 功耗7 0wn an a 注：( 1 ) 输入噪声采用典型值；( 2 ) n a 为目前不可获得参数。 h f 2 l i 采用前端直接数字采样的方案，该锁相放大器可以自身产生载波信号， 载波信号经过被测对象后为一微弱信号，该信号被放大、低通滤波后直接被数字 采样，然后在数字域中完成混频、低通从而得到最后结果。该方案直接把模拟信 号放大后数字采样，在数字域完成混频和低通滤波，这样极大的简化了系统复杂 度，较前一方案可以避免模拟混频器的噪声和漂移等不利影响，如果系统采用本 地产生的载波信号，则系统复杂度更可降低而且参考信号的相位精度很高。当然 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 该方案在拓展高频工作范围时会遇到瓶颈，其最高工作频率受限于a d 、d a 的采 样速率和数字处理芯片的处理能力，但是随着器件水平的发展，现有的器件较以 前在性能上有了大幅提升，在5 0m h z 的频率范围内直接数字采样方案已具备相 当大的优势。e l o c k l n 2 0 4 也是采用直接数字采样方案，但不含载波发生模块。 从表1 1 的调研结果来看，三者数字锁相放大器都具有较小的等效输入噪声 ( 6n v 4 i - i z 以内) ，这样较小的等效输入噪声确保在检测微弱信号的时，不至于 仪器本身的噪声成为总噪声的主要来源。由于三者都采用数字处理技术，所以都 具有较大范围的积分时间，即能满足通常的解调带宽需要。从工作频率范围来看， s r 8 4 4 具有最大的频率范围，最高可达2 0 0m h z ，同时该锁相放大器的数字采样 率仅在9 6k s s 以内，这就是s r 8 4 4 采用模拟下变频的缘故，通过模拟下变频得 以在中频上使用较低采样率的数字处理系统；h f 2 l i 和e l o c k l n2 0 4 都是采用直 接数字采样的方案，它们的工作频率范围都由采样频率决定，越高的采样频率可 以实现越大的工作频率范围，但是高采样率需要高性能的转换器件，同时对数字 处理系统的要求也越高。 对于一台锁相放大器本身而言是不需要载波发生模块，而只需要被解体信号 和参考信号，通常的连接方式是信号发生器产生载波，该载波经过实验系统后送 入锁相放大器的输入端，同时信号发生器的同步信号送入锁相放大器的同步端， 这样虽然每个单独的仪器具有高指标性能和较强的通用性，但就整个电路系统而 言，这种方式是比较复杂的，而且同步信号的产生和恢复过程会引入额外的噪声， 因而在实验的电路系统应用中，包含载波发生模块的锁相放大器更接近实际需 要上述调研的三款数字锁相放大器中h f 2 l i 是包含载波发生模块的，因而更接 近目前本实验室实际应用的需要。 1 3 实验室已有数字锁相放大器 本实验室对直接数字采样的设计方案已有了多年的研究【幡1 7 1 ，现已有了基于 f p g a 的数字锁相放大器，包括硬件平台和相关软件代码。该数字锁相放大器利 用实验室的通用数字平台，该平台以f p g a 和d s p 为数字处理核心，同时包括多 通道a d 、d a 等数模接口，f p g a 芯片为x i l i n x 的v i r t e x 4 系列x c 4 v l x 2 5 芯 片，d s p 为t i 生产的t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 a 芯片。实验室已有结构在该通用数字平 台上，已经实现了基于c o o r d i n a t er o t a t i o n d i 百t a lc o m p u t e r ( c o r d i c ) 的载波发 生模块、基于c o r d i c 的同步解调模块、基于移位操作的低复杂度低通滤波模块 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 和配套的串1 2 i 参数接收模块，同时为了简洁方便地使用p c 机对系统参数进行配 置，实验室开发了基于m a t l a b 的参数收发软件。仅通过单独的数字通用板实现的 数字锁相放大器，其检测微弱信号的能力有限，往往需要前置放大器的放大才能 完成微弱信号的检测，在m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) 加速度计和 陀螺的信号检测的应用中，放大功能是在m e m s 表头信号调理电路中同时实现 的；而在光学陀螺的应用中，其放大功能是通过单独的放大电路来实现的，是以 电流反馈型运放为核心的放大电路。 相对于所调研的商业数字锁相放大器，实验室已有结构在体积( 两个电路板) 和功耗( 4w 以内) 方面有了大幅度的提升，同时借助于通用数字平台，可以在 现有的硬件平台上添加其他模块，以实现完整的电路系统。但是实验室已有的结 构存在以下几个问题： ( 1 ) 没有对系统的具体性能指标进行严格测试，既缺少严谨可靠的测试方 法，也没有全面完整的测试数据。从测试内容上讲，之前的测试仅包括系统的等 效输入噪声和线性度的测试，缺乏各模块的等效输入噪声的测试和分析、d a 产 生载波的性能噪声性能测试以及各个模块和整体的温度特性测试，而这些特性在 锁相放大器的应用中是相当关键的参数，尤其是以温漂为代表的非理想特性，在 有些情况下这些漂移会超过系统噪声，成为引起整个电路系统偏离理想特性的主 要因素；在没有全面测试清楚各指标的情况下使用锁相放大器，可能面对额外的 非理想特性会进行错误的归因，所以正确而全面的测试锁相放大器的性能指标是 非常有意义的。 ( 2 ) 系统的前置放大器设计存在等效输入噪声偏大和灵活性较差等问题， 导致整体的性能指标上不去。就实验室已有数字锁相放大器的硬件而言，由于利 用高性能的芯片，其a d 、d a 以及数字处理部分的性能已经能够满足目前的需求， 但是前置放大器部分存在瓶颈，由于该前置放大器采用的电流反馈型运算放大 器，所以导致整体的噪声比较大( 在1 0 倍增益下约1 0n v 4 h z ) ，而且只能是固定 增益的，导致系统的灵活性较差，在这种情况下系统性能指标也不能满足实验室 的需求。 ( 3 ) 整个系统在可靠性、通用性和工程环境测试等方面还存在很多问题。 虽然目前数字锁相放大器的应用是限于实验室的，但是一个可靠、稳定和通用的 锁相放大器系统，对于加速度计和陀螺传感器的实验和应用有重大意义。 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 4 本论文的主要工作 锁相放大器是用于徽弱信号检测的装置，数字锁相放大器克服了模拟锁相放 大器的温漂和其他非理想的低频特性，极大改善了锁相放大器的性能，使锁相放 大器的研究发展和应用得到了很大提高。数字锁相放大器在检测微弱信号( 如弱 光、弱电流和小电容等) 中有着广泛的应用，使微弱信号测量精度得到了很大提 高，因而对数字锁相放大器的研究是很有意义的。 本论文在实验室对数字锁相放大器的已有研究的基础上，针对之前的不足设 计之处进行了改进设计，并对其进行了全面的指标测试和分析。本文的主要内容 归纳如下： 第一章为绪论，首先论述了数字锁相放大器的简单原理和研究意义，接着调 研了国内外常见的商用数字锁相放大器的特性，然后对实验室已有的研究成果进 行了简单总结，分析出其中的不足和不完善之处，针对这些不足之处本文进行较 为深入的研究。 第二章首先对数字锁相放大器的主要性能指标做简要介绍，然后根据本系统 的使用环境要求，提出本系统所应具有的性能指标，接着介绍两种常见的数字锁 相放大器结构方案，并分析每种方案下要达到一定的性能指标，对器件性能的要 求，最后根据上述分析得出本系统所采用方案的原因。 第三章介绍了数字锁相放大器的结构。该系统包括低通滤波器、前置放大器、 数模和模数转换模块、f p g a 中c o d i c 载波发生模块、c o r d i c 解调模块、低 通滤波器模块和参数收发模块等。 第四章分析了系统的噪声特性，因为噪声性能是评价锁相放大器性能优劣的 主要指标之一，本章从前置放大器、a d 模块、数字处理模块和d a 模块等四个 部分，分析了各个模块对系统噪声影响，不但实测得到了噪声性能，而且通过分 析明确了噪声的来源。 第五章详细介绍了锁相放大器的测试，包括前置放大器的特性、等效输入噪 声、线性度、动态范围和温度特性，本测试在弄清整个系统的性能指标的同时， 旨在摸索出有效的测试方法，并对构成系统的各个模块进行测试，这样可以分析 得到影响整体性能的关键因素，为以后进一步性能改进提供有力的参考。同时比 较了本文所述的数字锁相放大器和常见的商用数字锁相放大器s r 8 4 - 4 的性能。 第六章为总结和展望，本章对论文所完成的工作进行了总结，并指出了今后 需要进一步改善和提高之处 浙江大学硕士学位论文 第2 章数字锁相放大器的指标和方案介绍 第2 章数字锁相放大器的指标和方案介绍 数字锁相放大器是用来检测微弱信号的装置，所以其性能指标对检测结果有 重要影响，本章首先对数字锁相放大器的主要性能指标做简要介绍，然后根据本 系统的使用环境要求提出其所应具有的性能指标，接着介绍两种常见的数字锁相 放大器结构方案，并分析每种方案下要达到一定的性能指标，分别对器件选型的 要求，最后根据上述分析得出本系统所采用方案的原因。 2 1 数字锁相放大器的指标 数字锁相放大器的性能指标有许多方面，按所属的功能模块区分可分为三 类，分别是信号输入模块的性能指标、载波输出模块的性能指标和解调输出的性 能指标，具体如表2 1 所示。 表2 1 数字锁相放大器常用性能指标列表 功能模块指标项指标的简单描述 系统工作带宽系统可以工作的频率范围 等效输入噪声系统本身的噪声折算至输入端的噪声量 信号输入 系统的最大输入幅度值和最小可检测量的比值， 模块 动态范围 表征了系统的处理不同量级幅度的能力 由于温度引起的增益的漂移量，反映了系统的温 增益温漂 度稳定性 幅度范围载波输出的幅度范围 频率范围载波输出的频率范围 载波输出相位噪声载波输出的相位噪声，反映了载波输出的纯净度 模块 载波输出幅度的温度漂移，反映了载波输出的温 幅度温漂 度稳定性 谐波抑制比谐波信号的幅度与载波输出信号的幅度之比 解调输出 解调器的带宽为系统输出的带宽，往往决定了数 模块 解调带宽字锁相放大器应用系统的系统带宽，通常是个可 调量 浙江大学硕士学位论文第2 章数字锁相放大器的指标和方案介绍 解调滤波阶数解调滤波器的阶数 输出形式 以数字量还是模拟量输出解调结果 输出增益系统输出与输入的比值 系统工作带宽也就是载波频率的范围，表明了该仪器的使用场合，常见的锁 相放大器的频率范围有中低频的( 1m h z 以内) 、高频的( 数十i v l h z ) 和超高 频的( 上百m h z ) 。系统工作带宽往往限制了数字锁相放大器的实现方案，如超 高频的系统难以采用直接数字采样方案，包含低频乃至直流的系统不适合采用模 拟下变频方案。 等效输入噪声是数字锁相放大器的重要指标，它指的是系统零输入情况下折 算到输入端的等效噪声，表征了系统的噪声基底，测试时可将输入端置零，测试 解调输出端的波动，将该波动除以系统总增益并归一化至单位带宽，即可获得系 统的等效输入噪声。在不考虑漂移等非理想因素的情况下，系统的检测精度由等 效输入噪声决定，即等效输入噪声决定了系统可检测的最小量，因而在一定程度 上减小系统的等效输入噪声是非常有意义的事。 动态范围是系统的最大可能输入幅度值和最小可检测输入幅度值的比值，通 常以d b 形式表示。这一指标表明了系统处理不同量级范围的输入信号的能力， 在不考虑漂移等非理想因素的情况下，系统的最小可检测幅度是由系统的等效输 入噪声决定，当解调带宽在i - i z 量级时通常为纳伏( n v ) 级别，而系统的最大输 入可达数十毫伏( m v ) ，可见这个量级的跨越是非常巨大的，因而数字锁相放 大器的动态范围是相当大的。值得注意的是，这么大的动态范围用数字量表示时 是没有困难的，因为可以使用比较大的位宽来覆盖整个动态范围，但是这个量值 难以精确地被转换成为模拟信号，因而后面还会提到输出形式。 增益温漂是指系统的增益随温度变化的趋势，它反映了系统的温度稳定性。 任何含有模拟器件的系统总会有温度漂移的特性，数字锁相放大器也不例外，因 为数字锁相放大器的载波发生总以模拟形式输出，并且信号输入端也包含有模拟 放大器和a d 转换器件，这些都会受到温度的影响，值得注意的数字锁相放大器 的数字处理部分( 主要是解调部分) 一般不会受到温度的影响，因而相对于模拟 锁相放大器，数字锁相放大器的温度漂移要小。 载波的相位噪声也就是载波的噪声频谱，因为载波的噪声频谱往往是在距载 波频率附近有较大的噪声，远离载波频率处的噪声比较小，而且噪声的幅度也随 浙江大学硕士学位论文第2 章数字锁相放大器的指标和方案介绍 载波的幅度变化，因而评价载波的噪声性能往往采用相位噪声，它是以距离载波 频率的频率偏移作为横坐标、以相对于载波幅度做归一化的幅度谱作为纵坐标的 噪声频谱图。需要注意的是近载波附近的噪声对于系统性能产生的影响不可忽 略，因为这一频段的信号经过实际系统后通常会被解调出来，成为系统噪声的一 部分 系统中的解调模块为纯数字结构，其输入信号为a d 的采样信号，参考信号 的输入为内部数字信号，其频率与载波保持一致，相位是可以调节的，通过初始 时的调节可将输出结果调至最大；再将数字解调的结果送至低通滤波器，滤除二 次频分量和其他无用的所有高频分量。解调器涉及的性能参数有解调滤波器带宽 和阶数以及输出形式和输出增益。解调器的带宽为系统输出的带宽，往往决定了 数字锁相放大器应用系统的系统带宽，该参数可以通过参数配置端口进行调节。 解调器滤波器的阶数反映了低通滤波的衰减滚降程度，其滚降越强表示对噪声和 干扰的抑制能力越强，该参数也可以通过参数配置端1 2 进行调节。 表2 2 数字锁相放大罂的指标提出 模块 指标项指标要求 工作带宽 1 0 0k h z 1 0m h z 增益温漂 n a 信号通道 输入噪声5n v 4 h z 动态范围1 0 0 d b 参考通道频率范围 1 0 0k h z 1 0m h z 幅度温漂 n a 噪声水平n a 载波部分 频率范围 8 瞰z 1 0m h z2 k h z 1 5k h z 幅度 2v 一3v ，1m v 步长2v 3v ，1m v 步长 带宽0 1h z - 1 0 0 h z 解调器部分阶数1 4 阶 输出形式数字量 注-n a 为目前不明确的参数。 实验室实际使用数字锁相放大器主要有以下方面：m e m s 数字加速度计的信 浙江大学硕士学位论文第2 章数字锁相放大器的指标和方案介绍 号解调、m e m s 陀螺的信号解调、谐振式光学陀螺的信号解调等方面，根据各种 实际应用的需要对数字锁相放大器的指标要求如表2 2 所示。指标要求的工作带 宽是为了兼容m e m s 传感器中所需的百k h z 量级载波，和光学陀螺中所需的m h z 量级的载波，而光陀螺系统中对于载波的要求除了数m h z 级的载波外，实际有 可能采用更加复杂的调制结构，因而列出了k h z 量级的载波需求，这些载波的谐 波抑制比暂不做要求，实际中通过外接滤波器进行带宽限制。 2 2 常见的数字锁相放大器实现方案 本节主要介绍两种常见的数字锁相放大器实现方案，即模拟下变频方案和直 接数字采样方案，通过分析各自方案的优缺点，并结合本文所需要的性能指标， 选出适合本文的数字锁相放大器方案。 2 2 1 模拟下变频方案 以s r 8 4 4 为代表的模拟下变频的方案如图2 1 所示，该锁相放大器根据外接 信号源的同步信号，通过频率综合器产生正交的本地载波，该载波是被中频调制 过的，于是该信号和输入信号通过混频、带通滤波后将所需信号变频至中频，然 后在中频处进行滤波放大并通过a d 数字化，最后在d s p 中完成中频解调和低通 滤波，得到最终的低频量为系统输出。 由于该方案通过下变频，将高频率的待测信号降至中频，在带宽较小、频率 相对固定的中频范围内进行滤波和增益调节，从而具有频率范围宽、动态范围大 和灵敏度高等特点。不过该方案的系统复杂度较高，尤其需要高性能的频率综合 器，而且模拟前端需要精心设计，因为在高频下本地信号极易耦合至前端。 图2 1s r 8 4 4 型模拟下变频数字锁相放大器的结构框图 浙江大学硕士学位论文 第2 章数字锁相放大器的指标和方案介绍 在考虑等效输入噪声和温度特性时，该方案是没有优势的，因为该方案的信 号输入链路比较长，如果各噪声没有相关性，则信号每经过一级器件噪声只会叠 加而不会衰减的，特别是模拟器件存在的噪声和非理想特性，而数字器件很容易 通过位宽来减小量化噪声，并且无幅度漂移等非理想特性。 不过该方案可以工作的频率范围是可以达到比较高水平，仅受限于前端低噪 声放大器和乘法器等，通常模拟器件可以工作的频率上限要比现有的数字器件 高。但是直接数字采样方案的最高工作频率直接受限于a d 的采样速率。 2 2 2 直接数字呆样方案 以h f 2 l i 为代表的前端直接数字采样的方案如图2 2 所示，该锁相放大器可 以自身产生载波信号，载波信号经过被测对象后成为待检测的微弱信号，该信号 被放大、低通滤波后直接被数字采样，然后在数字域中完成混频、低通从而得到 最后解调结果。 该方案直接把模拟信号放大后直接数字采样，在数字域完成混频和低通滤 波，这样极大的简化了系统复杂度，较模拟下变频方案可以避免模拟混频器的噪 声和漂移等不利影响，如果系统采用本地产生的载波信号，则系统复杂度更可降 低而且参考信号的相位精度可以很高。当然该方案在拓展高频工作范围时会遇到 瓶颈，其最高工作频率受限于a d 、d a 的采样速率和数字处理芯片的处理能力， 但是随着器件水平的发展，现有的器件较以前在性能上有了大幅提升，在5 0m h z 的频率范围内直接数字采样方案已具备相当大的优势。 图2 2 直接数字采样型数字锁相放大器框图 根据以上分析，可以看出使用直接数字采样的方案是目前最佳的选择，因为 目前实验室有已完成的通用数字板，其高速a d 的采样率可达5 0m s p s 以上，完 浙江大学硕士学位论文第2 章数字锁相放大器的指标和方案介绍 全满足处理2 0m i i z 以内的信号，而且可以集成载波发生模块和其他外围电路， 形成一个完整的电路系统。 2 3 本章小结 本章首先对数字锁相放大器的主要性能指标做简要介绍，分别从输入模块、 载波输出模块和解调输出模块进行了介绍。然后根据本系统的使用环境要求提出 本系统所应具有的性能指标，本文所述数字锁相放大器是按照这一指标要求进行 设计的。接着介绍两种常见的数字锁相放大器结构方案，即模拟下变频方案和直 接数字采样方案，并分析每种方案下要达到一定的性能指标，分别对器件选型的 要求，最后根据上述分析，得出本系统采用方案直接数字采样方案的原因。 浙江大学硕士学位论文第3 章数字锁相放大器的结构 第3 章数字锁相放大器的结构 本章详细介绍了采用直接数字采样方案下，基于f p g a 的数字锁相放大器的 结构和实现过程。 3 1 数字锁相放大器结构概述 该数字锁相放大器的结构框图如图3 1 所示，系统由低通滤波器、可调增益 放大器、a d 、d a 、f p g a 、d s p 和p c 机辅助等模块构成，其中a d 、d a 、f p g a 和d s p 均在通用数字板上。系统以f p g a 为核心，完成载波产生、锁相解调、及 参数接收配置等功能。 图3 1 数字锁相放大器的结构框图 具体的工作原理为，p c 通过串口与d s p 通信，d s p 再通过数字接口与f p g a 通信，完成p c 机对f p g a 的参数配置和f p g a 的数据上传功能，d s p 起数据传 输中介功能；f p g a 中的c o r d i c 波形发生模块可产生指定频率和幅度的数字正 弦波，数字波形经d a 转换为模拟信号，该信号为载波信号，经低通滤波器后加 在被测对象上，在实际系统中被测对象可以是光学陀螺或m e m s 传感器等；经被 测对象后的信号包含加速度、角速度等待检测的信号，而这些信号往往都比较微 弱且具有复杂的频谱，因而经低通滤波器和可调增益放大器的滤波和放大，得到 幅度较大、谐波分量较小的信号，该信号经a d 采样转换为数字信号，并将其送 入f p g a ，在f p g a 中对该信号进行c o r d i c 解调和低通滤波，得到解调结果， 浙江大学硕士学位论文第3 章数字锁相放大器的结构 该结果可以以数字量的形式通过参数收发模块送至p c 机，也可以经d a 转化为 模拟信号输出，还可以在f p g a 中作为反馈控制等模块的数据源。 3 2 数字锁相放大器的各模块介绍 下面将分为可调增益放大器模块、a d d a 模块、f p g a 中的c o r d i c 模块、 低通滤波模块和参数收发模块等几个方面来分别介绍。 3 2 1 前置益放大器模块 前置放大器以一款数字可调增益放大器( p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ，p g a ) 核心，根据s p i 接口输入的数字量可产生从1 1d b 至3 4d b 的增益，该芯片有两 种增益调节范围模式，低增益模式下调节范围为1 ld b 至1 7d b ，高增益模式下 调节范围为6d b 至3 4d b ，在这个范围内使用0 1 2 7 的数字来线性对应放大器的 增益，通常是选择高增益模式用来放大信号。 图3 2 前置放大器的原理框图 具体的电路原理框图如图3 2 所示，系统采用5v 直流电源供电，采用s p i 接口传送增益控制字，具体的数据传输格式和指令代码可参考器件手册，输入和 输出接口采用s m a 口，输入和输出阻抗均为5 0q ，而p g a 的输入输出阻抗分别 为2 0 0q 和1 0 0q ，而且均为差分的，因而输入和输出端分别采用了1 ：2 ( 5 0q 转2 0 0q ) 和1 n 2 ( 1 0 0q 转5 0q ) 的变压器进行阻抗匹配。采用变压器做阻抗 匹配的好处是几乎不会引入额外的噪声，同时有隔直流的效果，不过施加于输入 端的直流分量要尽量小，因为变压器的直流电阻比较小，当施加较大直流量时会 产生较大的直流电流，这会影响变压器的性能，甚至会烧坏变压器；还有一点是 变压器的特性是通高频阻低频，这样由于变压器的响应使得系统的最小可工作频 率限于1 0 0 k h z 左右。 浙江大学硕士学位论文第3 章数字锁相放大器的结构 3 2 2a d d a 模块 a d 模块指的是a d 转换芯片和a d 驱动芯片及配套外围电路，本系统中用 于数模转换的部件为数字板载的1 4 位a d 芯片，该芯片含有双通道采样率可达 5 0m s p s 以上。模拟信号可通过板上5 0q 的s m a 接口输入，经a d 驱动芯片单 端转差分后送入a d 芯片，a d 芯片把模拟信号转换为数字信号后，通过1 4 位数 据线并行送入f p g a ，同时a d 芯片的采样时钟由f p g a 产生供给。 d a 模块包括d a 数模转换芯片和d a 缓) 中驱动运放等外围电路，它是把数 字量转换为模拟量，在数字锁相放大器中起载波产生和解调结果输出的作用。本 系统中用于波形发生的d a 为数字板载的1 4 位d a 芯片，该芯片含有双通道数模 转换速率可达1 0 0m s p s 以上。f p g a 通过1 4 位数据线和时钟线将数字信号送入 d a 芯片，d a 芯片把数字信号转化为模拟电流信号，通过运放将其转化为电压信 号并由板上s m a 接口输出。 3 2 3f p g a 中的c o r d i c 模块 c o r d i c 算法由j v o i d e r 提出，是一种用于计算常用的基本运算函数和算术 操作的循环迭代算法，其基本思想是用一系列与运算基数相关的角度的不断旋转 来逼近所需的角度，而这些运算仅包括移位和加法运算，非常适合于f p g a 的流 水实现 1 8 】【19 】。 本系统中使用的c o r d i c