近红外光谱仪锁相放大检测电路的设计与应用

近红外光谱仪锁相放大检测电路的设计与应用

1近红外光谱提取电路近红外光谱分析是利用近红外谱区域（波长范围约为0.8-2.5m）中的物质信息对有机物质进行定性和定量分析的技术。广泛应用于农业、纺织、制药、医药等领域。近红外光谱测量属于微弱信号检测范畴,物体在近红外波段吸收系数小,光谱重叠现象严重,故对仪器的信噪比提出很高的要求。锁相放大技术是检测淹没在噪声中微弱信号的重要手段,1962年,美国EG&GPARC(SIGNALRECOVERY公司的前身)的第一台锁相放大器(Lock-inAmplifier,简称LIA)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。锁相放大器根据相关器中相敏检波器的不同,分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器。模拟锁相放大器的相敏检波器是模拟乘法器,而数字锁相放大器用数字信号处理的方法实现相敏检波的功能。传统的模拟锁相放大器由于各元件间分布电容和运放参数的不匹配不可避免的引入噪声,噪声经放大后严重影响系统的稳定性;数字锁相放大器对AD芯片的转换速度和微处理器的处理速度要求较高,后期用复杂算法实现信号和参考信号的互相关运算,运算量较大。论文设计了一种近红外光谱提取电路,该电路采用模拟和数字相结合的锁相放大技术实现光谱信号的提取,即作为核心的相敏检波器用模拟乘法器(即同步解调器)实现,输出信号经由AD转换和串口通讯传入计算机,再进行后期的数字信号处理。该电路不需要高速的AD转换芯片和微处理器,简化了后期复杂运算,同时由于集成度高,在精度和稳定度上比模拟锁相放大器有明显进步。在将该电路应用于以PbS做传感器的滤光片型光谱仪平台时,仪器信噪比达到73dB,远优于原有系统。2锁相放大器提取噪声锁相放大器是利用相敏检波器对输入信号和被移相的与调制信号同频的参考信号进行相敏检测,实现频谱搬迁过程,再经过低通滤波器将噪声滤除,使输出对信号的幅度和相位都敏感,达到鉴幅和鉴相的目的。一般锁相放大器由三部分组成:信号通道、参考通道和相关器。信号通道的作用是将伴有噪声的输入信号放大,并经过滤波或选频对信号通带以外的噪声进行初步去除;参考通道的作用是提供一个与输入信号同相的方波;相关器是一种完成被测信号与参考信号两者互相关函数运算的电子线路,从而实现频率由交流到直流的变换。3电路系统设计3.1前置放大电路输入光为光源照射样品后的反射(或透射)光强,系统采用PbS作为光电传感器,将所需近红外波段的输入光信号转换为电信号。由于传感器具有直流偏压,后续的放大电路也会带来不可避免的闪烁噪声,所以直接测量所得的直流信号会被淹没在强大的背景噪声下。在输入光与传感器之间加入由无刷直流电机驱动的斩光盘,可以对光信号进行频率调制,照射传感器后得到具有一定频率的交流信号,避开对直流信号的测量。信号通道由前置放大器和带通滤波器组成,其作用是将弱信号放大到足以推动相关器工作的电平,并兼有抑制和滤除部分干扰及噪声的功能,从而扩大仪器的动态范围。前置放大器是锁相放大的第一级,由于被测信号很弱,前置放大器必须具备低噪声高增益的特点,所以对放大器和放大电路的选择尤为关键。系统选用TI公司的OPA111做前置放大器,OPA111的偏流最大不超过1pA,输入噪声密度为,温漂小于,是理想的低噪声前置放大器。由于PbS是电阻型传感器,故输入电压可通过高压偏置和取样电阻分压得到。在进行电路设计时,基于提高增益的稳定性、频率特性的平坦性和直线性的要求,还应该减少输入输出间的相位变化,减小输出阻抗,系统采用非反转放大电路作为前置放大电路。为增大系统的动态范围,OPA111输出的信号应经过带通滤波后,再进入相关器进行相敏检波。系统选用TI公司的有源滤波器模块UAF42,其内部集成了一个反向放大器和两个积分器,组合起来可实现缓冲、增益、低通、高通、带通等功能。与用运放和R、C自行搭建的滤波器相比,UAF42由于是集成化程度较高的单片结构,故具有受分布电容影响较小,不受运放频率特性限制等优点。根据厂方提供的仿真软件,系统对UAF42的参数进行了设计,使其成为中心频率为斩光频率,具有一定Q值(作为锁相放大器的输入带通滤波器,一般来说只需要将信号成分的三次谐波衰减到误差以内就可以了,故对Q值要求不高),同时增益尽可能高的带通滤波器。3.2u3000利用数字移相进行移相参考信号由外部的光耦元件提供,斩光盘的通断产生光耦周期信号,故可做到与输入信号同频。传统方法是将该光耦元件产生的信号直接作为参考信号输入至相关器,然后通过调整光耦元件相对于斩光盘的位置来调整移相范围。这种方法增加了调试难度,而且调节精度较低。系统增加了一路数字移相电路,该数字移相电路由异或门、可重复触发的集成单稳态触发器、与非门和D触发器组成,如图2所示。MC14528的两路单稳态触发器分别提取输入信号的上升沿和下降沿,通过调节滑动变阻器可对输入信号前后沿分别进行延时,配合D触发器实现电路移相的功能。该移向电路简单可靠,可以实现0到180度的无极调节;由于可以分别对前后沿进行操作,还可以实现对脉宽的调节。3.3运放和开关式乘法器同步检波器ad30相敏检波器作为锁相放大技术中的乘法器,是整个系统的灵魂,它的线性度和动态范围决定了系统的弱信号检测水平。系统选用平衡调制解调器AD630作为相敏检波器件,如图3所示,AD630和运放连接构成相敏检波和低通滤波的功能。将运放A的输入端接信号通道,将比较器的输入端接同步参考信号,则基于同步解调原理,参考信号同步的选通和关断运放A,使得AD630可作为锁相放大器中的同步检波器使用。AD630等效于将两片运放和开关式乘法器集成在一个芯片内,实现了高精度解调,动态范围达到100dB。设斩光盘斩光频率为,被测方波的幅度为,参考信号的幅度为,则AD630的1脚输入端信号的傅立叶级数为:AD630的9脚参考信号方波的傅立叶级数为:经过相乘积分后,通过积分器的输出信号为:式中T为积分器的时间常数。当T足够大时,上式的积分结果为的平均值,输出正比于被测信号的幅度,而且与二者的相位差有关,当调整相位差时,为最大值,此时的运放的输出端得到的是一个取决于输入信号幅值的理想的直流输出。3.4ad转换信号输出锁相放大的输出信号,经过AD转换后传入计算机进行后期的数据保存和处理。系统采用TI公司的工业型AD转换芯片ADS1255,ADS1255是一款高精度的24?位?型?模数转换器,具有高达23比特的无噪声精度,非线性度为?0.0010%,数据采样率最大可到30KHz。实际应用中,由于存在板间分布电容,传输线之间的串扰等噪声因素,AD转换的精度可保持在16比特,基本满足系统要求。系统采用C8051F020与AD转换芯片之间进行SPI通讯,获得AD转换输出信号,并对信号进行预处理和保存。再将单片机与计算机之间建立串口通讯协议,最终在计算机上实现对信号的二次滤波和其他相关去噪处理。3.5标准板测点标准曲线图4吸光度相对值对比实验平台选用以PbS做传感器的滤光片型近红外光谱仪,该光谱仪斩光盘斩光频率为400Hz,稳速达到?1%,可测量波长1680nm-2350nm之间分立的12个波长,针对每一个波长点分别测量标准板的吸光度相对值(即两次测量标准板吸光度的比值),每个波长采样200个吸光度相对值数据,求取平均值和标准实验分别对原有传统锁相放大电路和新系统进行测量,篇幅所限,现仅给出波长为1680nm时,测得的200个吸光度相对值对比,如图4所示。其中原系统采样点集的平均值为0.99958,标准差为0.00167,信噪比约为55.5dB;新系统采样点集的平均值为1.00007,标准差为0.00022,信噪比约为73.2dB。由图中数据可看出,新系统在稳定度和精度上均相对原系统有较大提高。4入移相电路分析新系统采用集成有源滤波器和平衡调制解调器分别实现带通滤波和相敏检波的功能,比传统方法集成度高,匹配好,提高了信噪比。系统在参考通路加入移相电路,可实现0到180度无极调节,与手动调