数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的应用研究

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1、分类号：TN722.7单位代码：10183研究生学号：201151E017密级：公开吉林大学硕士学位论文数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的应用研究Researchontheapplicationofdigitallock-inamplifierinthedetectionofweakphotoelectricsignal作者姓名：李健专业：电子与通信工程研究方向：电子与通信工程指导教师：王红波培养单位：吉林大学电子科学与工程学院2016年3月吉林大学博±？（或硕±）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成

2、果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作晶成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，巧已在文中Ｗ明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年＾月引日数字锁相放大器在微弱光电信号检测中的应用研究Researchontheapplicationofdigitallock-inamplifierinthedetectionofweakphotoelectricsignal作者姓名：李健专业名称：电子与通信工程指导教师：王红波学位类别：工程硕士答辩日期：2016年5月29日未经本论

3、文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。摘要摘要光电信号检测系统中，由于光电探测器表面受到光线照射产生微弱电流，这些电子流非常微弱容易受到强噪声信号的干扰，传统的微弱电流信号检测方法无法进行精确检测，为减少强噪声和1/f噪声对该微弱光电子流的影响，本文设计基于DLIA(DigitalLock-InAmplifier,数字锁相放大器)的微弱光电信号检测系统，对这种微弱光电子流信号进行检测。首先

4、光信号通过斩光器的调制变为周期光信号，该周期光信号经过光电探测器后产生周期性微弱电流信号，再进行电流电压转换、信号的放大、信号的滤波和信号的模数转换等一系列处理后，将采样的数字信号输入到数字信号解调系统中。最后经过数字信号解调得到光电信号幅值等信息。首先，本文进行函数自相关和互相关原理分析，对其数字模型进行了深入的研究，通过对比两种数学模型得到互相关原理在抗噪声干扰能力上更优。因此，采用互相关原理设计锁相放大器，其主要通过外部参考信号对周期信号进行解调，得到强噪声背景下待测信号幅值和相位等信息，随后进行Matlab软件仿真理论验证。为使微弱光电信号能够输入到数字锁相放大器的信号

5、解调器中，需要对这种微弱光电信号进行的放大和滤波，设计放大倍数为1012倍二阶放大电路和截止频率为8kHz的二阶抗混叠滤波器，对信号放大电路和滤波电路中各个元器件参数进行计算，采用Multisim软件进行仿真验证。其次，硬件放大电路设计主要基于Multisim软件仿真的理论支撑，第一级放大电路进行I/V转换，将微弱电流信号转换电压信号并放大1011倍，也是硬件电路最重要一部分，直接影响全部系统检测系能，本文对目前市场高精度、低噪声的运放芯片进行对比，第一级和第二级放大电路分别采用LMC6062运放和LF442运放进行设计。信号经过放大后进入抗混叠滤波器进行滤波，滤除高频噪声的干

6、扰，再将信号输入到8位高速A/D转换芯片中，最后经过A/D(AnalogtoDigitalConverter,模数转换器)转换后输入到FPGA(FieldProgrammableGateArray,现场可编程逻辑门阵列)中进行信号的相关调制。最后，对基于FPGA的数字信号解调系统设计，采用DSPBuilder工具箱进行四个部分的设计：(1)待测信号频率提取设计，主要通过对待测信号进行FFT(FastFourierTransform,快速傅里叶变换)，待测信号FFT后有最大频幅响应，从而提取对应频率信息。(2)基于DDS(DirectDigitalSynthesizer,直接数字

7、式频率合成器)函数信号发生器的参考信号设计，主要提供数字信号解调中的输入的正弦和余弦参考信号，其频率字信息由待测信号频率提取部分。(3)数字信号处理的乘法器设计，主要功能是实现待测信号与参考信号之间的相敏检波，即数字信号处理中为乘法运算。(4)基于FIR(FiniteImpulseI摘要Response,有限长单位冲激响应)低通滤波器设计，主要功能是实现数字信号积分功能的替换。将各个模块联接在一起调试，将编译好的工程文件下载到FPGA芯片中完成数字信号解调设计。对光电检测系统进行测试，首先对