基于鎖相放大的近紅外光譜信號提取電路研究

鎖相放大技術是提取淹沒在噪聲中的微弱信號的重要手段之一,廣泛應用于近紅外光譜測量領域。文章中介紹了一種模擬與數(shù)字相結合的鎖相放大檢測電路,對電路的設計思路,設計要點配以相關電路圖進行了詳細闡述,并應用在以PbS做傳感器的濾光片型近紅外光譜儀中。應用結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[1-2]，廣泛應用于農(nóng)業(yè)、紡織業(yè)、制藥業(yè)、生物醫(yī)學 等各個領域。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得到標志性的突破，極大地推動了基礎科學和工程技術的發(fā) 展。鎖相放大器根據(jù)相關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 芯片的轉換速度和微處 理器的處理速度要求較高，后期用復雜算法實現(xiàn)信號和參考信號的互相關運算，運算量較 大[3]。

論文設計了一種近紅外光譜提取電路，該電路采用模擬和數(shù)字相結合的鎖相放大技術 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 轉換芯片和微處理器，簡化了后期復雜運算，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構

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；相關器是一種完成被測信號與參考信號兩 者互相關函數(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 輸出的信號應經(jīng)過帶通濾波后，再進入相關器進行 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構，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 轉換和數(shù)據(jù)處理

鎖相放大的輸出信號，經(jīng)過 AD 轉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 轉換芯片ADS1255，ADS1255 是一款高精度的24 位Δ- Σ 型模 數(shù)轉換器，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 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 轉換芯片之間進行SPI 通訊，獲得AD 轉換輸出信號，并 對信號進行預處理和保存。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