基于TMS320F2812的數(shù)字鎖定放大器設(shè)計(jì)
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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(diǎn)[1]，在頻率掃描中有明顯的優(yōu)點(diǎn)?；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(jìn)行頻率調(diào)制，用調(diào)制頻率的倍頻信號(hào)作為參考信號(hào)，用鎖定放大器鎖定所關(guān)心的二次諧波信號(hào)，采用DSP設(shè)計(jì)的鎖定放大器用于二次諧波檢測(cè)使測(cè)量系統(tǒng)有極高的靈敏度、精確的分辨率以和較高的動(dòng)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(yùn)用DSP數(shù)字鎖定放大器的軟件設(shè)計(jì)，整個(gè)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(hào)二次諧波頻率）的參考正弦和參考余弦.
RefWave(f);
Sigfilt(); //運(yùn)用TI提供的濾波器庫(kù)濾除噪聲
Correlate(); //相關(guān)運(yùn)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(hào)和相關(guān)計(jì)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(yùn)算，因?yàn)?812為定點(diǎn)DSP
cosx[i] = _IQcos(x);
}
}
void Correlate()
{
for(i=0; i<n; i++) //n為積分時(shí)間的樣點(diǎn)數(shù)
{
//進(jìn)行乘加運(yùn)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(hào)的M個(gè)采樣點(diǎn)
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(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用
圖3是利用激光測(cè)量汽車(chē)廢氣濃度的系統(tǒng)框圖。
圖3 基于TDLAS二次諧波檢測(cè)氣體濃度系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用TDLAS原理，對(duì)汽車(chē)排放尾中的二氧化碳濃度進(jìn)行測(cè)量。TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）測(cè)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(zhǔn)波長(zhǎng)為1583.69nm、輸出波長(zhǎng)可調(diào)的NLK1556STG蝶形激光二極管，其輸出功率和波長(zhǎng)由激光控制器LDC-3724B決定。輸出光束經(jīng)過(guò)分光比例為50/50的分光器后變?yōu)閮墒?，一束直接進(jìn)入到自平衡接收器，一束經(jīng)瞄準(zhǔn)器對(duì)準(zhǔn)，穿過(guò)樣本氣室后由光纖接收進(jìn)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(dá)到50dB，可以消除兩路光束的噪聲，同時(shí)也可以降低對(duì)于鎖定放大器的動(dòng)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(jì)方法，首先由ADC采樣自平衡接收器輸出的模擬信號(hào)，然后在TMS320F2812內(nèi)部用鎖定核心算法，鎖定被測(cè)信號(hào)的二次諧波信號(hào)分量，最后依據(jù)Lambert-Beer定律[2]計(jì)算測(cè)量結(jié)果并輸出。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的同時(shí)利用DSP產(chǎn)生30KHz的正弦信號(hào)和50Hz的斜坡信號(hào)作為激光二極管的調(diào)制信號(hào)。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
借助于TMS320F2812強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，運(yùn)用相關(guān)算法和濾波算法[3]，數(shù)字鎖定放大器對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)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(dá)到106。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字鎖定放大器應(yīng)用在基于TDLAS二次諧波檢測(cè)氣體濃度系統(tǒng)中，其檢測(cè)精度能達(dá)到10ppb級(jí)。在應(yīng)用于汽車(chē)尾氣測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)的對(duì)氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)并得到結(jié)果。運(yùn)用DSP設(shè)計(jì)的數(shù)字鎖定放大器對(duì)于汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)中微弱的激光信號(hào)，，對(duì)于汽車(chē)廢氣的動(dòng)態(tài)排放規(guī)律研究新的控制策略有重要意義。
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