一種主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種鎖相放大器，具體設(shè)及的是在TDLAS波長調(diào)制中提取一次、二次 諧波信號的主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器。 技術(shù)背景：
[0002] 波長調(diào)制技術(shù)和TDLAS技術(shù)相結(jié)合利用數(shù)字鎖相放大器提取一次、二次諧波的質(zhì) 量流量測量方法，具有非接觸測量、空間分辨率高、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高、測量量程大、 無需添加示蹤粒子、易小型化等特點(diǎn)、是目前用于超然沖壓發(fā)動機(jī)測量的最佳技術(shù)手段。對 進(jìn)氣道氧氣質(zhì)量流量的檢測，對發(fā)動機(jī)可變幾何形狀、混合壓縮進(jìn)氣口進(jìn)行改進(jìn)控制，設(shè)計(jì) 需要可W滿足飛行需要的進(jìn)氣道質(zhì)量流量傳感器等提供必要的參考。進(jìn)氣道氣流特點(diǎn)是高 速化~15倍音速）、強(qiáng)端流和高總溫，對激光器的掃描頻率、采樣速率要求較高，需要小型 化的數(shù)字鎖相放大器在現(xiàn)場使用。
[0003] 在波長調(diào)制中氣體的吸收光譜通常很微弱，并且受到噪聲、干擾等影響，直接提取 吸收特征氣體的線型很困難，在超然沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道氣體的質(zhì)量流量測量系統(tǒng)中，需要 雙路高速、高位AD數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)，為了產(chǎn)生激光器驅(qū)動電路的同步掃描和調(diào)制信號， 需要函數(shù)信號發(fā)生電路。
[0004] 市場上商用的鎖相放大器主要有美國si即alrecove巧等公司的產(chǎn)品，該些產(chǎn)品 有個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是體積過于龐大，不便于集成于系統(tǒng)、另外該些產(chǎn)品的帶寬較低、處理速 度較慢，在需要使用小型化場合下、環(huán)境苛刻條件下，帶來很多不便。
[0005] 鎖相放大器的靈敏度及性能都會影響到激光頻率的穩(wěn)定性和重復(fù)性，進(jìn)而影響到 系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，通過鎖相解調(diào)對光電探測器的微弱電信號進(jìn)行放大，能大幅度抑制無 用噪聲，改善檢測信噪比。
[0006] 主動掃描正交矢量數(shù)字鎖相放大器主要存在W下技術(shù)難點(diǎn)：
[0007] 1、高速、高位數(shù)據(jù)采集；
[000引 2、正交矢量解調(diào)信號算法的實(shí)時(shí)運(yùn)算；
[0009] 3、要求體積小，功能多，系統(tǒng)穩(wěn)定；
[0010] 4、較寬范圍的待測信號波段時(shí)，信號解調(diào)濾波器參數(shù)設(shè)置。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0011] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有鎖相放大器的缺陷，解決在波長調(diào)制吸收光譜技術(shù)中 需要使用的小型化鎖相放大器的問題，并且滿足在線測量儀器的快速響應(yīng)需求，W及解決 現(xiàn)有商業(yè)鎖相放大器頻率的抖動或者漂移，引起相位漂移的問題。提供了一種小型化的、集 成了高速數(shù)據(jù)采集、主動掃描，數(shù)據(jù)采樣速率高，數(shù)據(jù)精度高、頻帶寬、數(shù)據(jù)穩(wěn)定的數(shù)字鎖相 放大器，采用正交矢量算法解調(diào)信號。
[0012] 本發(fā)明提供了一種主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，所述數(shù)字式鎖相放大器 包括信號調(diào)理模塊，高速高位數(shù)據(jù)采集模塊，調(diào)制、掃描信號模塊，通信模塊，液晶顯示模 塊，及一種數(shù)字域正交矢量鎖相算法等；
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)方案是；
[0014] 主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，包括依次連接的信號調(diào)理模塊，信號采集 模塊，數(shù)據(jù)處理W及調(diào)制信號和掃描信號模塊、通信模塊，液晶顯示模塊，其特征在于：所述 的信號調(diào)制模塊包括依次連接的電流電壓轉(zhuǎn)換電路、陷波器、低通濾波器W及單端轉(zhuǎn)差分 電路，所述電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接有探測器探測待測信號，所述信號采集模塊為 高速高位AD采集卡，所述數(shù)據(jù)處理W及調(diào)制信號和掃描信號模塊為基于FPGA巧片的模塊， 內(nèi)置有緩存區(qū)FIFO、片內(nèi)ROM/RAM儲存區(qū)、正交矢量算法模塊、采樣控制器W及數(shù)據(jù)控制 器，所述FPGA巧片外圍還設(shè)SDRAM存儲巧片、通訊模塊W及按鍵模塊和液晶顯示模塊；FPGA 巧片內(nèi)部的采集控制器控制高速高位AD采集卡采集待測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號 通過I/O口進(jìn)入FPGA中的緩存區(qū)FIFO,緩存區(qū)FIFO對其累加、平均，之后數(shù)據(jù)控制器控制 緩存區(qū)FIFO數(shù)據(jù)寫入SDRAM存儲巧片中，W及按順序從SDRAM存儲巧片中讀取寫入FPGA 巧片片內(nèi)R0M/RAM儲存區(qū)，由DILA算法進(jìn)行運(yùn)算，F(xiàn)PGA巧片內(nèi)部根據(jù)待測信號頻率相應(yīng) 的產(chǎn)生2倍頻正弦和余弦信號作為參考信號，參考信號與待測信號一起進(jìn)入正交矢量算法 模塊進(jìn)行調(diào)制得到調(diào)制信號，調(diào)制信號與上位機(jī)通訊，同時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部利用頻率合成DDS原 理，生成正弦波調(diào)制信號，利用寄存器累加求和方式生成銀齒波掃描信號，掃描信號和調(diào)制 信號一起可經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、電壓電流轉(zhuǎn)換生成電壓信號，所述電壓信號可經(jīng)過低通濾波W 及加法電路疊加處理后供激光器使用。
[0015] 所述正交矢量算法模塊包括依次連接的相敏檢測器單元、二級4階低通濾波器W 及運(yùn)算單元，所述正交矢量算法模塊調(diào)制參考信號與待測信號的過程如下；所述參考信號 和待測信號一起進(jìn)入正交矢量算法模塊內(nèi)部的相敏檢測器單元，相敏檢測器單元輸出信號 進(jìn)入二級4階低通濾波器，二級4階低通濾波器輸出Q和I兩路正交信號，兩路正交信號進(jìn) 入運(yùn)算單元進(jìn)行分別平方的Q2和I2,平方后求和得Q2+I2,求和后開平方得谷2 +戶得調(diào)制 信號。
[0016] 所述高速高位AD采集卡為LTC2185采集卡，采樣速率125MBPS，16位位寬。
[0017] 所述的主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，其特征在于：所述FPGA巧片采用 EP2S90H484C5 巧片，其有 48 個(gè)DSP、6 個(gè)化L、72768bit的LUTW及 4520488bit內(nèi)部存儲 器。
[001引所述二級4階低通濾波器采用IIR楠圓濾波器組，通帶截止頻率范圍分別為：[100K，120K] ;[1M，1.2M] ;[10M，12M] ;[20M，25M] ;[30M，35M] ;[40M，45M]。
[0019] 所述陷波器、低通濾波器均采用0PA657巧片，所述低通濾波器電路采用二階己特 沃斯結(jié)構(gòu)，帶通截止頻率70M監(jiān)。
[0020] 所述D/A轉(zhuǎn)換包括調(diào)制信號轉(zhuǎn)換和掃描信號轉(zhuǎn)換，均采用的是LTC1668轉(zhuǎn)化巧片。
[0021] 所述通訊模塊為USB2. 0串口通訊或/和CP2012串口通訊或/和W太網(wǎng)串口通訊。
[0022] 所述液晶顯示模塊采用320*240分辨率的LQ03化CD屏。
[0023] 所述FPGA巧片外圍還設(shè)有電源管理電路。
[0024] 所述按鍵模塊采用ADS7843觸摸屏控制巧片。
[0025] 所述的片內(nèi)R0M/RAM儲存區(qū)采用Micron的MT48LC16M16A2P-7E，256M存儲容量。
[0026] 所述正交矢量算法模塊的工作原理如下：
[0027]輸入被測f曰號為；x(t)二VgCOS(W日t)，
[002引 參考信號為；r(t)二VrC0s(20Qt+0 )，
[0029] 輸入信號和參考信號進(jìn)入相敏檢測器單元后，相敏檢測器單元輸出：
[0030] Up(t)二x(t)r(t)二 0?SVgVrcos目+0? 5VsVrC〇s(2〇〇t+目），
[0031] 低通濾波后，兩路輸出f曰號為；Q二Vgsin0，I二VgCos0，
[0032] 兩路正交矢量Q和I，正交幅值輸出：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，包括依次連接的信號調(diào)理模塊，信號采集模 塊，數(shù)據(jù)處理以及調(diào)制信號和掃描信號模塊、通信模塊，液晶顯示模塊，其特征在于：所述的 信號調(diào)制模塊包括依次連接的電流電壓轉(zhuǎn)換電路、陷波器、低通濾波器以及單端轉(zhuǎn)差分電 路，所述電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接有探測器探測待測信號，所述信號采集模塊為高 速高位AD采集卡，所述數(shù)據(jù)處理以及調(diào)制信號和掃描信號模塊為基于FPGA芯片的模塊，內(nèi) 置有緩存區(qū)FIFO、片內(nèi)ROM/RAM儲存區(qū)、正交矢量算法模塊、采樣控制器以及數(shù)據(jù)控制器， 所述FPGA芯片外圍還設(shè)SDRAM存儲芯片、通訊模塊以及按鍵模塊和液晶顯示模塊；FPGA芯 片內(nèi)部的采集控制器控制高速高位AD采集卡采集待測信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號 通過I/O口進(jìn)入FPGA中的緩存區(qū)FIFO,數(shù)據(jù)控制器控制緩存區(qū)FIFO數(shù)據(jù)寫入SDRAM存儲 芯片中，以及從SDRAM存儲芯片中寫入FPGA芯片片內(nèi)R0M/RAM儲存區(qū)，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部根據(jù) 待測信號頻率采用可編程控制程序相應(yīng)的產(chǎn)生2倍頻正弦和余弦信號作為參考信號，參考 信號與待測信號一起進(jìn)入正交矢量算法模塊進(jìn)行調(diào)制得到調(diào)制信號，調(diào)制信號與上位機(jī)通 訊，同時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部根據(jù)頻率合成DDS原理采用可編程控制程序生成正弦波調(diào)制信號，利用 寄存器累加求和方式生成鋸齒波掃描信號，掃描信號和調(diào)制信號一起可經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、電 壓電流轉(zhuǎn)換生成電壓信號，所述電壓信號可經(jīng)過低通濾波以及加法電路疊加處理后供激光 器使用。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，其特征在于：所述正 交矢量算法模塊包括依次連接的相敏檢測器單元、二級4階低通濾波器以及運(yùn)算單元，所 述正交矢量算法模塊調(diào)制參考信號與待測信號的過程如下：所述參考信號和待測信號一起 進(jìn)入正交矢量算法模塊內(nèi)部的相敏檢測器單元，相敏檢測器單元輸出信號進(jìn)入二級4階低 通濾波器，二級4階低通濾波器輸出Q和I兩路正交信號，兩路正交信號進(jìn)入運(yùn)算單元進(jìn)行 分別平方的Q2和I2,平方后求和得Q2+I2,求和后開平方得調(diào)制信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，其特征在于：所述高 速高位AD采集卡為LTC2185采集卡，采樣速率125MBPS，16位位寬。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，其特征在于：所 述FPGA芯片采用EP2S90H484C5芯片，其有48個(gè)DSP、6個(gè)PLL、72768bit的LUT以及 4520488bit內(nèi)部存儲器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，其特征在于：所述二 級4階低通濾波器采用IIR橢圓濾波器組，通帶截止頻率范圍分別為：[100K，120K] ; [1M， 1.2M] ;[10M，12M] ;[20M，25M] ;[30M，35M] ;[40M，45M]。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，其特征在于：所述陷 波器、低通濾波器均采用0PA657芯片，所述低通濾波器電路采用二階巴特沃斯結(jié)構(gòu)，帶通 截止頻率70MHZ。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，其特征在于：所述D/ A轉(zhuǎn)換包括調(diào)制信號轉(zhuǎn)換和掃描信號轉(zhuǎn)換，均采用的是LTC1668轉(zhuǎn)化芯片。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，其特征在于：所述通 訊模塊為USB2. 0串口通訊或/和CP2012串口通訊或/和以太網(wǎng)串口通訊。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，其特征在于：所述液 晶顯示模塊采用320*240分辨率的LQ035IXD屏。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，其特征在于：所述FPGA芯片外圍還設(shè)有電源管理電路。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種主動掃描式正交矢量數(shù)字鎖相放大器，包括依次連接的信號調(diào)理模塊，信號采集模塊，數(shù)據(jù)處理以及調(diào)制信號和掃描信號模塊，通信模塊，液晶顯示模塊。信號調(diào)理模塊，將輸入模擬信號進(jìn)行前置放大、陷波、抗混疊濾波等預(yù)處理，預(yù)處理后的信號通過A/D高速數(shù)據(jù)采集，進(jìn)入緩存、輸入信號處理模塊FPGA芯片緩存后，被存儲在外部存儲器中。FPGA內(nèi)部產(chǎn)生同步2倍頻參考信號，與待測信號進(jìn)入正交矢量數(shù)字解調(diào)(DILA)處理單元，DILA運(yùn)算后輸出諧波信號。諧波信號數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸或串行方式與上位機(jī)通信，也可以通過USB輸出。FPGA芯片內(nèi)部調(diào)制掃描信號模塊生成的調(diào)制、掃描信號。
【IPC分類】H03L7-00, H03F7-00
【公開號】CN104811152
【申請?zhí)枴緾N201510133402
【發(fā)明人】劉文清, 賈良權(quán), 闞瑞峰, 劉建國, 姚路, 阮俊, 許振宇, 魏敏, 張光樂
【申請人】中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年6月6日