基于TMS320F2812的數(shù)字鎖定放大器設(shè)計
1引言
數(shù)字鎖定放大器相比模擬鎖定放大器具有穩(wěn)定、精度高等特點[1]，在頻率掃描中有明顯的優(yōu)點?；赥DLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技術(shù)采用頻率調(diào)制技術(shù)向激光二極管注入正弦波電流進行頻率調(diào)制，用調(diào)制頻率的倍頻信號作為參考信號，用鎖定放大器鎖定所關(guān)心的二次諧波信號，采用DSP設(shè)計的鎖定放大器用于二次諧波檢測使測量系統(tǒng)有極高的靈敏度、精確的分辨率以和較高的動態(tài)響應(yīng)速度。
2數(shù)字鎖定放大器原理 
數(shù)字鎖定放大器DLIA的原理框圖及算法如圖1所示。
圖1系統(tǒng)框圖
由圖1即可運用DSP數(shù)字鎖定放大器的軟件設(shè)計，整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)流程如圖2所示：
圖2 數(shù)字鎖放軟件流程
鎖定算法程序如下：
Void main()
{
……….. //系統(tǒng)初始化，變量定義及初始化，略
//產(chǎn)生頻率為f Hz（此處為激光信號二次諧波頻率）的參考正弦和參考余弦.
RefWave(f);
Sigfilt(); //運用TI提供的濾波器庫濾除噪聲
Correlate(); //相關(guān)運算
lpf();
AmpCalc();
PhaCalc();
………. //后續(xù)處理：顯示輸出、反饋控制量等
}
其中生成參考信號和相關(guān)計算子程序如下：
void RefWave(f)
{
for(i=0; i<f; i++)
{
x = _IQ(PI*i/10); //據(jù)本文公式(2)產(chǎn)生參考，N的值為20
sinx[i] = _IQsin(x); //采用Q格式運算，因為2812為定點DSP
cosx[i] = _IQcos(x);
}
}
void Correlate()
{
for(i=0; i<n; i++) //n為積分時間的樣點數(shù)
{
//進行乘加運算，_IQtoIQ20的作用為防溢出
temp1 += _IQ20mpy(_IQtoIQ20(input[i]), _IQtoIQ20(sinx[i]));
temp2 += _IQ20mpy(_IQtoIQ20(input[i]), _IQtoIQ20(cosx[i]));
}
M = _IQ20(m); //信號的M個采樣點
temp1 = _IQ20div(temp1, M); //公式（3）
Rxrs = _IQ20toIQ(temp1); //正弦互相關(guān)結(jié)果
temp2 = _IQ20div(temp2, M);
Rxrc = _IQ20toIQ(temp2); //余弦互相關(guān)結(jié)果
}
3數(shù)字鎖定放大器在TDLAS測量系統(tǒng)中的應(yīng)用
圖3是利用激光測量汽車廢氣濃度的系統(tǒng)框圖。
圖3 基于TDLAS二次諧波檢測氣體濃度系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用TDLAS原理，對汽車排放尾中的二氧化碳濃度進行測量。TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）測量系統(tǒng)的激光光源由商用的可調(diào)諧激光二極管產(chǎn)生，采用的是基準波長為1583.69nm、輸出波長可調(diào)的NLK1556STG蝶形激光二極管，其輸出功率和波長由激光控制器LDC-3724B決定。輸出光束經(jīng)過分光比例為50/50的分光器后變?yōu)閮墒?，一束直接進入到自平衡接收器，一束經(jīng)瞄準器對準，穿過樣本氣室后由光纖接收進入到自平衡接收器，自平衡接收器采用NEW FOCUS公司的Model 2017，自平衡接收器的共模抑制比能達到50dB，可以消除兩路光束的噪聲，同時也可以降低對于鎖定放大器的動態(tài)范圍和線性程度的要求。自平衡接收器的輸出作為鎖定放大器的輸入，鎖放采用本文前面所述的數(shù)字設(shè)計方法，首先由ADC采樣自平衡接收器輸出的模擬信號，然后在TMS320F2812內(nèi)部用鎖定核心算法，鎖定被測信號的二次諧波信號分量，最后依據(jù)Lambert-Beer定律[2]計算測量結(jié)果并輸出。在對信號進行處理的同時利用DSP產(chǎn)生30KHz的正弦信號和50Hz的斜坡信號作為激光二極管的調(diào)制信號。
4實驗結(jié)果
借助于TMS320F2812強大的數(shù)據(jù)處理能力，運用相關(guān)算法和濾波算法[3]，數(shù)字鎖定放大器對于微弱信號的檢測能力相較于傳統(tǒng)的模擬鎖定放大器得到了極大的提高，其噪聲抑制能力Q值能達到106。本文設(shè)計的數(shù)字鎖定放大器應(yīng)用在基于TDLAS二次諧波檢測氣體濃度系統(tǒng)中，其檢測精度能達到10ppb級。在應(yīng)用于汽車尾氣測量系統(tǒng)時，能夠?qū)崟r動態(tài)的對氣體濃度進行檢測并得到結(jié)果。運用DSP設(shè)計的數(shù)字鎖定放大器對于汽車尾氣檢測系統(tǒng)中微弱的激光信號，，對于汽車廢氣的動態(tài)排放規(guī)律研究新的控制策略有重要意義。
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