王 琦 , 蒋川东 , 杜海龙

(1. 吉林大学 通信工程学院, 吉林 长春 130000; 2. 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130000)

微弱信号的检测成为一种十分重要的研究手段[1-2]。锁相放大器因具有可靠性高、检测能力强、通用性高等特点,广泛的应用于微弱信号检测领域。地面核磁共振信号(magnetic resonance sounding,MRS)是一种微弱的窄带信号[3-4],一般只有纳伏级(10-9V),常规检测系统难以实现纳伏级信号的检测。

美国SIGNAL RECOVERY公司相继推出了多种锁相放大器,其多款产品一直处于该行业的顶尖水平[5-6]。美国斯坦福公司研制了SR830锁相放大器,法国研制了TE9822C型锁相放大器等，日本NFCORP公司推出了LI5630/LI5640型锁相放大器。近年来,南京大学、中国科学院物理研究所以及安徽光学精密机械研究所均针对锁相放大器进行了研究,且部分实现了产品商业化[7-11]。上述锁相放大器在一般测试环境下均体现出优越的性能,但是无法在野外实现纳伏级微弱信号的检测,且体积庞大,难以实现专用仪器(比如地面核磁共振找水仪)的集成。

本文基于锁相放大技术,利用低噪声高增益放大模块、双锁相放大模块及NET0824采集模块对被测信号进行滤波、放大、采集和控制,设计了一种便携式适用于纳伏级信号检测的锁相放大系统。

1 系统整体设计

微弱信号检测系统主要由程控放大模块、锁相放大模块、NET0824采集与控制模块组成,系统整体框图见图1。待测信号经过程控放大模块滤波和放大后,作为锁相放大模块的输入信号,锁相放大器输出为信号的同相分量Vx和正交分量Vy,通过NET0824模块中的24位高精度ADC进行数据采集,利用网口与上位机进行通信和波形显示。其中NET0824模块中的ARM和FPGA的控制信号经过74HC595实现串行I/O转并行I/O,实现对程控放大模块和锁相放大模块的增益倍数、高低通截止频率和锁相相位等参数的配置。同时,控制信号对AD9850进行配置,产生〗固定频率的正弦波作为锁相放大模块的参考信号。

图1 系统整体框图

2 信号调理与采集电路设计

2.1 程控放大系统

为实现低信噪比环境下对微弱信号的高增益放大,本文设计的程控放大模块原理框图如图2所示。程控放大模块包括特低噪声放大器,输入本底噪声为2 nV·Hz-1/2,放大倍数K1=10；程控放大器1和2分别用于信号放大(K2=1～100)和衰减(K3=0.01～1),可防止信号饱和；低通和高通滤波器,通带截止频率为3 Hz～10 kHz,阻带截止频率为0.1 Hz～3 kHz,因此带宽最大为10 kHz；程控放大器3将滤波后信号再次放大K4=1～100倍；末级放大器为电压跟随器,K5=1。因此程控放大模块的总放大倍数K总=K1K2K3K4K5=0.1～105,并按照1、2、5、10的规律变化。

图2 程控放大模块原理框图

2.2 锁相放大模块设计

综合考虑锁相放大器的性能及体积,本文设计的双锁相放大模块见图3,放大倍数固定为100倍。利用AD9580芯片为锁相放大器提供参考信号,其中晶振为40 MHz,频率精度可达9.31×10-3Hz。AD9850输出的参考信号经过过零整形产生同频方波,然后根据需要,可选择0°、90°、180°、270°的相移量,产生2个相互正交的方波。相关器对被测信号进行相关处理,输出被测信号的同相分量和正交分量。在信噪比极低的情况下,检测出有用的窄带微弱信号[12-13]。锁相放大器的时间常数可调整为1 ms～3 s,根据噪声水平,选择合适的时间常数能够有效提高检测信号的信噪比。

图3 HB-292(V-1)型高性能双相锁相放大器原理框图

2.3 系统采集与控制模块设计

为实现微弱信号的高精度,高速率及多通道同时采集,本系统选用NET0824完成控制、采集和通信3大功能。该采集模块的转换精度为24位,采样速率最高为105.469 kHz,本系统选择52.734 kHz。

NET0824中的ARM和FPGA是本系统的控制核心。系统上电以后,首先对74HC595进行配置从而实现对程控放大模块和锁相放大模块参数的配置,同时对AD9850信号发生器进行配置并选择参考信号的频率；然后在上位机中利用LabVIEW 软件编程进行控制[14],通过网口通信将NET0824设置为定长采集模式,每次采集1 s数据。设置程序框图见图4。AD采集后,通过网口通信将数据上传至上位机,并显示出被测信号的同相分量Vx、正交分量Vy和信号包络Vr。

图4 定长采集设置程序框图

3 系统测试

3.1 程控放大模块测试

为了测试程控放大模块的性能,使用动态信号分析仪测量了通带范围内的增益G曲线,结果见图5。由图5可看到,程控放大模块在1 kH～3 kHz通带内较平坦,设置增益从0.1～105,在2 kHz处实际增益为0.08～8×104。在增益小于1的衰减阶段,系统受环境的噪声影响,增益曲线存在毛刺。

图5 程控放大器增益曲线

3.2 锁相放大系统测试

为了验证本文设计的微弱信号检测系统的实用性,利用任意信号发生器产生核磁共振信号和φ=0 rad,信号持续1 s)进行测试。用空心线圈发射该信号,在一定距离外,放置接收线圈,利用本系统对耦合接收到的信号进行检测,设置3个通道分别采集被测信号的同相分量Vx,正交分量Vy和信号的包络幅度Vr,测试结果如图6所示。可以看到,由于时间常数为30 ms,采集结果的峰值前面有约50 ms延迟。利用曲线拟合得到测量信号同相分量、正交分量和信号包络的初始(t=0 s)幅度分别为ex=1242.68 mV,ey=1459.26 mV和er=1916.76 mV。根据可以验证采集结果的准确性。经测试,此时锁相放大系统的总体放大倍数为8×107,因此,该系统能够实现对纳伏级窄带信号的有效采集,且放大倍数达到设计指标。

图6 系统测试结果

4 结语

基于低噪声高增益锁相放大的微弱信号检测装置,利用NET0824采集模块作为检测装置的控制中枢,将程控放大、锁相放大、高速采集、网口通信等模块有机结合,实现了对纳伏级窄带微弱信号的有效检测。该系统将模拟电子技术、单片机原理及通信原理等知识有机结合在一起,有利于提高学生的动手能力及综合能力,可作为电子信息工程、测控技术及仪器等专业的综合实验课程内容。

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