采用单片机的同步外差相敏检波器

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.05.014 第16卷第5期 北京科技大学学报 Vol.16 No.5 1994年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct1994 采用单片机的同步外差相敏检波器 金基灿 王绍纯 北京科技大学自动化信息工程学院，北京100083 摘要分析了同步外差相敏检波原理和性能，进而采用8098单片机控制下工作的数字移相器构成 同步外差相敏检波系统，并进行了测试. 关键词信号检测，检波器，移相器/相敏检波器 中图分类号TN176.1 The Synchronous Heteredyne Phase Sensitive Detector Using Single Chip Microcontroller Kim Gichan Wang Shaochun Automation and Information Engineering College.USTB,Beijing 100083.PRC ABSTRACT In this paper,the performance and principle of the synchronous PSD have been analysed.Using the digital phase shifter controlled by the 8098 microcomputer,the synchronous heterodyne PSD system has been researched and tests have been carried out. KEY WORDS signal detection,wave detector,phase shifter/phase sensitive detector 当信号极其微弱时，由于噪声的存在造成弱信号检测困难，使用相敏检波器则是抑制噪 声的有效方法，习.由于相敏检波器特性不理想，会在输出端输出与输入信号无关的直流分量， 它是产生直流漂移和测量误差的原因之一·采用同步外差相敏检波技术，可消除与信号无关的 因素造成的直流漂移~习单片机应用于微弱信号检测中，使相敏检波器成为具有多种功能的 智能仪器. 1同步外差相敏检波器原理 同步外差相敏检波器原理和各点波形如图1所示.在同步外差相敏检波(PSD)中，对 输入信号进行0°和180°的调相，PSD输出的变化与输人信号中的同步分量成正比，从而 消除了与信号无关的因素引起的直流漂移，调制参考信号是11H五的方波信号，在11H五的 正半周内，它保持输入信号的相位不变，在负半周内将输入信号的相位反转成180°， 1994-01-24收稿第一作者男31岁硕士朝鲜留学生

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 州年 月 。 心 。 比 望洲 采用单片机 的 同步外差相 敏检波器 金基 灿 王 绍纯 北 京 科技大 学 自动化信息工 程 学院 ， 北 京 昭 摘要 分析 了 同步外差 相 敏检波原理 和性 能 ， 进而采用 田 单片机控 制下 工 作 的数字移相器 构 成 同步外 差相 敏检波系 统 ， 并进行 了 测 试 关键词 信号检测 ， 检波器 ， 移相 器 相敏检波器 中图分类号 卢几阴 】 下旧 ， ， 仪刀 ， ， 血 讥 】 卫 卜泥 此 而 ， 沈 币时 ， 。 改 ， 。 沈 当信号极其微 弱 时 ， 由于 噪声 的存 在造成 弱信号检测 困难 ， 使 用 相 敏 检 波 器 则 是 抑 制 噪 声 的有 效方 法。 ， 由于相敏检波器特性不理想 ， 会在输 出端输出与输入信号 无 关 的直 流分量 ， 它是 产生直 流漂移 和测量 误差 的原 因之一 采 用 同步外差 相敏检波技术 ， 可 消 除与信号 无 关 的 因素造成 的直 流 漂移 一 凡单 片机应用 于微 弱信号检测 中 ， 使相 敏检 波 器成 为具有 多 种 功 能 的 智 能 仪器 同步外差相敏检 波器原 理 同步 外 差 相 敏 检 波 器 原 理 和 各 点 波 形 如 图 所 示 在 同步 外 差 相 敏 检 波 那 中 ， 对 输人信 号 进 行 “ 和 “ 的 调 相 ， 输 出 的 变 化 与 输 人信 号 中 的 同 步 分 量 成 正 比 ， 从 而 消 除 了 与信 号 无 关 的 因素引起 的直 流漂 移 调 制 参 考 信 号 是 扭 的方波信号 在 的 正半周 内 ， 它保持输入信号 的相 位不 变 ， 在 负半 周 内将 输 人 信 号 的相 位反 转成 “ 一 一 收稿 第 一 作 者 男 岁 硕士 朝 鲜 留学 生 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．05．014

·470 北京科技大学学报 1994年No.5 AM ArAt 同步积分C AC放大 解调 D LPF Vo V. 移相器 11Hz振荡 图1同步外差PSD原理图 Fig.1 Principle diagram of synchrooous heterodyne PSD 同步外差PSD输出与输人关系的数学表达式为： o=-(16RoR2/R RT)E coS (1) 式中，R2R,为同步积分器的放大倍数；R。,R为低通滤波器电阻；为初始相位；E为 输人信号的幅值. 由式(1)可知，输出V。与输人信号V,的幅度E,成正比，并取决于V和V.的相位差p, 2数字移相器的同步外差相敏检波的采用 本系统的基本特点为：(1)系统采用同步方式进行相关处理，以便较好地协调动态贮 备和输出稳定性之间的矛盾；(2)系统采用8098单片机进行自动相移量控制和数据处理. 2.1系统硬件结构 本系统结构可分成信号通道、参考通道（移相器）和单片机3部分，其原理框图见图2. 解调 同步 PSD 积分 AC放大H 调相 8 11Hz振荡 8位 移相量 0 锁相 2W 环路 比较器 设置 数字移相 8279 显示 图2采用数字移相器的同步外差PSD Fig.2 Synchronous heterodyne PSD using digital shifter 信号通道由调制、信号相敏检波器、同步积分器、交流放大、解调、低通滤波器组成

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 振荡 图 同步外差 】召 原理 图 瑰 血心沙 面粤侧 卿仪加切习出 月州即闭 世 同步外 差 输 出与输人关系 的数学 表 达式 为 一 “ 双 甲 式 中 ， 为 同步 积分器 的放大倍数 。 六 为低通 滤 波 器 电 阻 叽为 初 始相 位 互为 输人信号 的 幅值 由式 可 知 ， 输 出 与输人信号 的 幅度 成 正 比 ， 并取 决于 叱 和 的相 位 差 中 数字 移相器的同步外差相敏检波的采用 本 系 统 的基本特点 为 系 统采用 同步 方 式 进 行 相 关 处 理 ， 以 便 较 好 地 协 调 动 态 贮 备和输 出稳定性 之 间的矛盾 系 统采用 单 片机进行 自动相 移量 控 制 和数据处理 系统硬件结构 本 系 统 结 构 可分成 信 号 通 道 、 参 考 通 道 移 相 器 和 单 片 机 部 分 ， 其 原 理 框 图见 图 · 。 振荡 锁相 位 移相 量 环路 比较器 设置 一 ’ 口「州 瓦 尸 浪 ’ ’ 显示 图 采用数字移相器 的同步外差 瑰 川知阴 峨即闭犯抢 面嗯 山梦怕】 目云 巴 信号通 道 由调 制 、 信号相 敏检波器 、 同步积分 器 、 交 流放大 、 解 调 、 低通 滤波 器组成

Vol.16 No.5 金基灿等：采用单片机的同步外差相敏检波器 .471. 其中，调制、信号相敏检波器、解调是相敏检波电路（相关器）.相敏检波器是实现被测信号 和参考信号之间相关函数运算的电路.由相关函数的数学表达式可知，需要乘法器和积分器 实现这一函数运算， 从理论上讲，用一个模拟乘法器和一个积分时间无穷长的积分器，就可以把深埋在任意大 噪声中的微弱信号检测出来，但是，通常在锁定放大器中不采用模拟乘法器，也不采用积分时 间为无穷长的积分器.因为模拟乘法器很难保证动态范围大、线性好.CMOS模拟开关 电路无残余电压，并且具有双向传输特性及很高的开/关比（一般65dB).此外CMOS开关还可 以传输与开关控制端信号幅度相一致的全幅值信号.因此乘法器可采用动态范围大、线性 好、电路简单的开关乘法器 在同步外差PSD系统中，同步积分器是对噪声的第一级处理，它是抑制噪声的关键部 分.以11Hz单位幅度的矩形波作为同步积分器的开关函数.把信号同步地接到两个积分器 上，使两个电容轮流积分 电流和电阻可用开关函数x表示 接通电容C I=(4/2)(1±x)= (2) 断开电容C R=2R11±为={0 (R 接通电容C (3) 断开电容C 同样，用同步开关把积分器和负载相联，使信号同步输出，而随机噪声则在累积过程中被 清除. 移相器是相敏检波器必要的参考输人电路，它应在很宽的频率范围内将任何一种输人波 形，转变为方波输出，并提供0360°之间的任意相移量.当数字移相器为N=256时，分频器 和锁相环外的相位合成器使锁相环在0~2π范围内移相.数字移相器原理框图如图3所示， 放大 256分频PLL 8位比较器 相移量设置 单片机 1厂 图3数字移相器(0~2π) Fig.3 Digital shifter (0~2n) 同步外差PSD的输出与8098单片机AD4路模拟输人端中的一个接口相连.从PSD进来 的模拟信号经过8098单片机AD转换成数字信号.在CPU对数字信号进行处理后，其结 果经8279显示.所要控制数字移相器的相移量设定是由并行接口芯片8255实现的. 2.2系统软件结构 同步外差PSD工作状态框图如图4所示.本系统用8098单片机AD转换命令寄存器中的 “GO”位置“1”启动，通过查询方式实现AD转换.为进一步提高数字采样的可靠性，本程 序在中值滤波的基础上又采用了算术平均值滤波，为快速找到与被测信号相位相同的参考通 道信号相位量，结合使用顺序查表法和对分搜索法

金基灿等 采 用 单 片机 的 同步外 差相 敏 检波器 其 中 ， 调 制 、 信号相 敏检波器 、 解调 是相敏检 波 电路 相 关器 相 敏检波器 是 实现 被 测 信 号 和参考信号 之 间相 关 函数运算 的 电路 由相 关 函数 的数 学 表 达 式 可 知 ， 需 要 乘法 器 和 积 分 器 实现这一 函数运算 从理论上讲 ， 用 一个模拟 乘法器 和 一 个积分 时 间无穷长 的积分器 ， 就可 以把深埋在 任意大 噪声 中的微弱信号检测 出来 但是 ， 通 常在锁定 放大 器 中不 采 用模 拟 乘法 器 ， 也 不采 用 积分 时 间为 无 穷 长 的 积 分 器 因 为模 拟 乘 法 器 很 难 保 证 动 态 范 围 大 、 线 性 好 模 拟 开 关 电路 无残余 电压 ， 并 且具有 双 向传输特性及很高的开 关 比 一般 此外 开 关 还 可 以 传 输 与 开 关 控 制 端 信号 幅 度 相 一 致 的全 幅 值信 号 因此 乘 法 器 可 采 用 动 态 范 围 大 、 线 性 好 、 电路 简单 的开关乘法 器 在 同步外差 系 统 中 ， 同步积分器是 对噪 声 的 第 一 级 处 理 ， 它是 抑 制 噪 声 的 关 键 部 分 以 单位 幅度 的矩形 波作为 同步 积 分器 的 开 关 函 数 把 信 号 同步 地 接 到 两 个 积 分 器 上 ， 使 两个 电容轮流积分 电流和 电阻 可用 开 关 函数 表示 ‘ 一 “ ‘ ，‘，士 ·，一 “ 一 ‘，‘ 劝 一 兰 接通 电容 断开 电容 接 通 电容 断开 电容 同样 ， 用 同步 开 关 把 积 分器 和 负载 相 联 ， 使信号 同步 输 出 ， 而 随 机 噪声 则在 累 积 过 程 中被 清除 移相 器是 相 敏检波器必要 的参考输人 电路 ， 它应在 很 宽 的频率范 围 内将任何一 种 输 人 波 形 ， 转变 为方波 输 出 ， 并提供 “ 之 间 的任意相 移 量 当数字移相 器为 时 ， 分频器 和 锁 相 环外 的相 位 合 成 器使锁 相 环在 一 二 范 围 内移 相 数字 移相 器 原理 框 图如 图 所示 放大 相 移量设置 图 数字移相器 一 司 电 肠梦回 动心沈 一 同 步 外 差 的 输 出 与 单 片 机 路 模拟 输人端中的一个 接 口 相 连 从邢 进来 的模拟信号 经 过 单 片 机 旧 转 换 成 数字信号 在 对数字 信 号进行处理 后 ， 其 结 果 经 显示 所要 控 制 数字移 相 器 的相 移 量 设定是 由并 行 接 口 芯 片 实现 的 系统软件结构 同步外 差 工作 状态框 图如 图 所 示 本 系 统 用 单 片 机 转 换 命令 寄存 器 中 的 “ ” 位 置 “ ” 启 动 ， 通 过 查 询 方 式 实现 妇 转换 为进一 步提 高数字采样 的可靠性 ， 本程 序在 中值滤波 的基 础上 又 采 用 了算 术平 均值 滤波 为快 速 找到 与被 测 信号相 位相 同的参考通 道 信 号 相 位 量 ， 结 合 使用 顺序 查 表 法 和对分搜索法

,472 北京科技大学学报 1994年No.5 3实验结果 3.1输入总动态范围 (1)当输入V-5mV的正弦信号，频率为1kHz,以 同步外差PD初始化 2kH五不相干信号为噪声输人.无噪声输人时，其输出 从0°开始每次增加45·到 V。=1.18V;噪声输人为4V时，其输出V。=1.20V,相对于 180°之间寻找最大值位置 输出变化为1.6%，动态贮备为52dB. (2)当输人V=5mV的正弦信号，其频率为1kHz, 从最大值位置开始每次增或减 11.25°到上一步相邻的位置时， 以白噪声信号作为噪声输人，无噪声输入时，其输 找最大值位置 出V。=1.18V.通过合成器输人白噪声，不断增加至过载， 这时输人白噪声V:=80mV.因此动态贮备为18dB 从最大值位置开始每次增或减 2.815°到上一步相邻的位置时， (3)将同步外差PSD输人端短路，其灵敏度10mV, 找最大值位置 漂移为0.25mV/h时，输出动态范围78dB. 因此，输人总动态范围(dB)=动态贮备(dB)+输出 动态范围(dB)=52+78=130dB(不相干信号时) 重复测量 3.2抑制噪声能力和噪声最大过载电平 化 停止 实验结果表明：(1)白噪声信号为干扰信号时，其信 噪比改善41dB,本系统白噪声输人信号为有用输入信号 13倍以下时，不出现过载；(2)不相干干扰信号为干扰信 号时，干扰频率越远离工作频率，PSD的干扰抑制能力 越强. 图4同步外差PD工作状态流程图 Fig.4 Work state flow scheme of 33直流漂移 synchronous heterodyne PSD 本文测出了自然漂移.当输人端接地，系统总增益47dB,测量时间为1h,同步外差PSD 输出端零漂移测量结果为0.25mVh. 2.4 1.6 图5同步外差PSD的线性度 0.8 Fig5 Linearity of synchronous heterodyne PSD 6 8 10 Vo/mV (下转477页)

北 京 科 技 大 学 学 报 为 年 实验结果 输入总动态范 围 当输 人 叱二 的 正 弦 信 号 ， 频 率 为 ， 以 之 不 相 干 信 号 为 噪 声 输 人 无 噪 声 输 人 时 ， 其 输 出 噪声输人 为 时 ， 其输 出 ， 相 对于 输 出变化为 ， 动态贮备为 当输 人 的 正 弦 信 号 ， 其 频 率 为 之 ， 以 白 噪 声 信 号 作 为 噪 声 输 人 无 噪 声 输 人 时 ， 其 输 出 叽 通 过 合 成 器 输 人 白噪 声 ， 不 断增 加至过 载 ， 这 时输人 白噪声 气 因此 动态贮备为 将 同步外 差 输 人 端 短 路 ， 其 灵 敏 度 ， 漂移 为 时 ， 输 出动态范 围 因此 ， 输 人 总 动 态 范 围 二 动 态 贮 备 输 出 动 态 范 围 不相 干信号 时 同步外 差 初始 化 从 。 开始每次增 加 。 到 。 之 间寻 找最大 值位置 从最大值位置 开始每 次增或减 。 到 上 一 步相 邻的 位置 时 ， 找最大值位置 从最大值位里开始每次增 或减 。 到上 一步相 邻的位置 时 ， 找最大值位置 重复测 量 抑制噪声能 力和 噪声最大过载电平 实验结果表 明 白噪声信号 为干扰信号 时 ， 其信 噪 比 改 善 ， 本系统 白噪声输人信号 为有 用 输人信号 倍 以 下 时 ， 不 出现过载 不相 干干扰信号 为干扰信 号 时 ， 干 扰频率越远离工作 频 率 ， 的干扰抑 制 能力 越 强 直流漂移 之 停止 图 同步外差 工作状态流程 图 触 、军加火 创巨忆 加 熨加” 长 甲叻 坛血，川犯此 本文 测 出了 自然 漂移 当输人端接地 ， 系 统总增益 ， 测 量 时间为 ， 同步 外 差 输 出端零漂 移 测 量 结果 为 夕 才扩 沙 钾 ‘ 图 同步外差 名 的线性度 瑰 肠此时吟 甲侧址以目旧 卜出，川犯℃ 名 汁 下转 页

Vol.16 No.5 李秀志等：水晶生长两级计算机控制系统 .477 (2)在实时多任务操作系统DCX51的运行环境下，几个任务有机的配合，响应速度较快. (3)控制算法合理，在实验中控制小惯性环节时，控制精度为±0.5℃，现场运行中达到 ±1℃，满足了现场要求， 参考文献 1李秀志，倪忠远等，DCP微机温度控制系统-下位机硬件设计应用.计算机科学技术与应用，1993(5)： 36-40 2李秀志，倪忠远.通讯板PCX344的使用及通讯软件的编制.电子技术应用，1993(12)：24~26 3潘新民，微型计算机控制技术.北京：人民邮电出版社.1985.239~252,286~289 岭的的的的岭冷论的的的的的怜的的的响的响的响的的的响响的的的响帅柳响的的的的检的的的 (上接472页) 3.4系统线性度 输人为频率∫。=1kHz的正弦信号，无噪声输入，由数字电压表测出输出结果.把此结果 用线性回归分析方法分析输入与输出特性的线性度，如图5所示.图中虚线为理论值，实线为 回归值.由图5可知，虽然两直线有一定偏差，但趋向相同，能满足本设计的要求. 4结论 在8098单片机控制下，系统实现了自动数字移相和数字处理.实验结果表明本系统能测 出淹没在噪声中的有用信号，并达到了较高的技术指标.由此表明本文所研究的同步外差相 敏检波器用于微弱信号检测技术中是可行的. 参考文献 1王绍纯.自动检测技术，北京：冶金工业出版社，1985 2陈佳圭，微弱信号检测.北京：中央广播电视大学出版社，1987 3李惠定，陈佳圭.同步外差相敏检波器.中国科学技术大学学报，19829)：89~95 4徐叔平等.智能化专用相关器.上海科技大学学报，1990(1)少：35~43 5 Meade M L.Lock-in Amplifier.London:Peter Pereqrinus Ltd,1983

李 秀志等 水 晶生长 两级计算机控制系 统 在 实 时多 任务操作 系 统 的运行 环境下 ， 几个任务有 机 的配合 ， 响应速度较快 控制算法合理 ， 在 实验 中控 制 小 惯 性 环 节 时 ， 控 制 精 度 为 士 ℃ ， 现 场 运 行 中 达 到 士 ℃ ， 满足 了现 场要 求 参 考 文 献 李 秀 志 ， 倪 忠远等 微机温度控制系统 一下位机硬件设计应用 计算机科学技术与应用 ， 一 李 秀志 ， 倪 忠远 通 讯板 乡科 的使用及通 讯软件 的编制 电子技术应用 ， 卯 一 播新 民 微型 计算 机控制技术 北京 人 民邮电 出版社 一 ， 一 上 接 页 系统线性度 输人为频 率 的正 弦信号 ， 无 噪声 输 人 ， 由数 字 电压 表 测 出输 出结 果 把 此 结 果 用 线性 回 归分 析方 法分 析输 人 与输 出特性 的线性 度 ， 如 图 所示 图 中虚 线 为 理 论 值 ， 实 线 为 回 归值 由图 可 知 ， 虽然 两 直 线有 一 定 偏 差 ， 但 趋 向相 同 ， 能满 足 本设计 的要 求 结论 在 单片机控制 下 ， 系 统实现 了 自动数字移相 和 数字处理 实验结果 表 明本 系 统 能 测 出淹 没在 噪声 中的有 用 信 号 ， 并 达到 了较 高 的 技 术 指 标 由此 表 明本 文 所 研 究 的 同步 外 差 相 敏检波器 用于 微 弱信号检 测 技术 中是 可行 的 参 考 文 献 王 绍纯 自动检测 技术 北京 冶金工 业 出版社 ， 陈佳圭 微弱信号检测 北京 中央广播 电视大学 出版社 ， 李惠定 ， 陈佳圭 同步外差相 敏检波器 中国科 学技术大学学 报 ， 一 徐叔平等 智能化专用相 关器 上 海科技大 学学报 ， 叭〕 一 一 卿