基于锁相放大的近红外光谱信号提取电路研究

　　摘要：锁相放大技术是提取淹没在噪声中的微弱信号的重要手段之一,广泛应用于近红外光谱测量领域。文章中介绍了一种模拟与数字相结合的锁相放大检测电路,对电路的设计思路,设计要点配以相关电路图进行了详细阐述,并应用在以PbS做传感器的滤光片型近红外光谱仪中。应用结果表明该电路与原有模拟锁相放大电路相比,具有较高的和稳定性,并且算法简单,运算量小,可以成功应用于近红外光谱信号的提取,信噪比可达到73dB。

　　1. 引言

　　近红外光谱分析是利用近红外谱区（波长范围约为 0.8—2.5 微米）包含的物质信息， 对有机物质定性和定量分析的一种技术[1-2]，广泛应用于农业、纺织业、制药业、生物医学 等各个领域。近红外光谱测量属于微弱信号检测范畴，物体在近红外波段吸收系数小，光 谱重叠现象严重，故对仪器的信噪比提出很高的要求。

　　锁相放大技术是检测淹没在噪声中微弱信号的重要手段，1962 年，美国EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY 公司的前身)的台锁相放大器(Lock-in Amplifier，简称LIA) 的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，极大地推动了基础科学和工程技术的发 展。锁相放大器根据相关器中相敏检波器的不同，分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器。 模拟锁相放大器的相敏检波器是模拟乘法器，而数字锁相放大器用数字信号处理的方法实现相敏检波的功能。

　　传统的模拟锁相放大器由于各元件间分布电容和运放参数的不匹配不可避免的引入噪 声，噪声经放大后严重影响系统的稳定性；数字锁相放大器对AD 芯片的转换速度和微处 理器的处理速度要求较高，后期用复杂算法实现信号和参考信号的互相关运算，运算量较 大[3]。

　　论文设计了一种近红外光谱提取电路，该电路采用模拟和数字相结合的锁相放大技术 实现光谱信号的提取，即作为的相敏检波器用模拟乘法器（即同步解调器）实现，输 出信号经由AD 转换和串口通讯传入计算机，再进行后期的数字信号处理。该电路不需要 高速的AD 转换芯片和微处理器，简化了后期复杂运算，同时由于集成度高，在和稳 定度上比模拟锁相放大器有明显进步。在将该电路应用于以PbS 做传感器的滤光片型光谱 仪平台时，仪器信噪比达到73dB，远优于原有系统。

　　2. 锁相放大的原理与结构

　　锁相放大器是利用相敏检波器对输入信号和被移相的与调制信号同频的参考信号进行 相敏检测，实现频谱搬迁过程，再经过低通滤波器将噪声滤除，使输出对信号的幅度和相 位都敏感，达到鉴幅和鉴相的目的[4]。

　　一般锁相放大器由三部分组成：信号通道、参考通道和相关器。信号通道的作用是将 伴有噪声的输入信号放大，并经过滤波或选频对信号通带以外的噪声进行初步去除；参考 通道的作用是提供一个与输入信号同相的方波；相关器是一种完成被测信号与参考信号两 者互相关函数运算的电子线路，从而实现频率由交流到直流的变换。

　　3. 电路系统设计

　　3.1 系统的信号通道

　　输入光为光源照射样品后的反射（或透射）光强，系统采用PbS 作为光电传感器，将 所需近红外波段的输入光信号转换为电信号。由于传感器具有直流偏压，后续的放大电路 也会带来不可避免的闪烁噪声，所以直接测量所得的直流信号会被淹没在强大的背景噪声 下。在输入光与传感器之间加入由无刷直流电机驱动的斩光盘，可以对光信号进行频率调 制，照射传感器后得到具有一定频率的交流信号，避开对直流信号的测量[5-6]。 信号通道由前置放大器和带通滤波器组成，其作用是将弱信号放大到足以推动相关器 工作的电平，并兼有抑制和滤除部分干扰及噪声的功能，从而扩大仪器的动态范围。 前置放大器是锁相放大的级，由于被测信号很弱，前置放大器必须具备低噪声高 增益的特点，所以对放大器和放大电路的选择尤为关键。系统选用TI 公司的OPA111 做前 置放大器，OPA111的偏流不超过1pA是理想的低噪声前置放大器。

　　由于 PbS 是电阻型传感器，故输入电压可通过高压偏置和取样电阻分压得到。在进行 电路设计时，基于提高增益的稳定性、频率特性的平坦性和直线性的要求，还应该减少输入输出间的相位变化，减小输出阻抗，系统采用非反转放大电路作为前置放大电路。

　　为增大系统的动态范围，OPA111 输出的信号应经过带通滤波后，再进入相关器进行 相敏检波。系统选用TI 公司的有源滤波器模块UAF42，其内部集成了一个反向放大器和 两个积分器，组合起来可实现缓冲、增益、低通、高通、带通等功能。与用运放和R、C 自行搭建的滤波器相比，UAF42 由于是集成化程度较高的单片结构，故具有受分布电容影 响较小，不受运放频率特性限制等优点。

　　根据厂方提供的仿真软件，系统对UAF42 的参数进行了设计，使其成为中心频率为斩 光频率，具有一定Q 值(作为锁相放大器的输入带通滤波器，一般来说只需要将信号成分 的三次谐波衰减到误差以内就可以了，故对Q 值要求不高)，同时增益尽可能高的带通滤波器。

　　综上，系统的信号通路如图 1 所示。

　　图 1 信号通道

　　3.2 参考通路

　　参考信号由外部的光耦元件提供，斩光盘的通断产生光耦周期信号，故可做到与输入 信号同频。传统方法是将该光耦元件产生的信号直接作为参考信号输入至相关器，然后通 过调整光耦元件相对于斩光盘的位置来调整移相范围。这种方法增加了调试难度，而且调 节较低。

　　系统增加了一路数字移相电路，该数字移相电路由异或门、可重复触发的集成单稳态 触发器、与非门和D 触发器组成，如图2 所示。

　　图 2 移相电路

　　MC14528 的两路单稳态触发器分别提取输入信号的上升沿和下降沿，通过调节滑动变 阻器可对输入信号前后沿分别进行延时，配合D 触发器实现电路移相的功能。该移向电路 简单可靠，可以实现0 到180 度的无极调节；由于可以分别对前后沿进行操作，还可以实 现对脉宽的调节。

　　3.3 相敏检波

　　相敏检波器作为锁相放大技术中的乘法器，是整个系统的灵魂，它的线性度和动态范 围决定了系统的弱信号检测水平。 系统选用平衡调制解调器 AD630 作为相敏检波器件，如图3 所示，AD630 和运放连 接构成相敏检波和低通滤波的功能。将运放A 的输入端接信号通道，将比较器的输入端接 同步参考信号，则基于同步解调原理，参考信号同步的选通和关断运放A，使得AD630 可作为锁相放大器中的同步检波器使用。

　　AD630 等效于将两片运放和开关式乘法器集成在 一个芯片内，实现了高解调，动态范围达到100dB。

　　3.4 高 AD 转换和数据处理

　　锁相放大的输出信号，经过 AD 转换后传入计算机进行后期的数据保存和处理。系统 采用TI 公司的工业型AD 转换芯片ADS1255，ADS1255 是一款高的24 位Δ- Σ 型模 数转换器，具有高达23 比特的无噪声，非线性度为±0.0010%，数据采样率可 到30KHz。实际应用中，由于存在板间分布电容，传输线之间的串扰等噪声因素，AD 转 换的可保持在16 比特，基本满足系统要求。

　　系统采用 C8051F020 与AD 转换芯片之间进行SPI 通讯，获得AD 转换输出信号，并 对信号进行预处理和保存。再将单片机与计算机之间建立串口通讯协议，终在计算机上 实现对信号的二次滤波和其他相关去噪处理。

　　3.5 实验

　　实验平台选用以PbS 做传感器的滤光片型近红外光谱仪，该光谱仪斩光盘斩光频率为 400Hz，稳速达到±1%，可测量波长1680nm-2350nm之间分立的12个波长，针对每一个 波长点分别测量标准板的吸光度相对值(即两次测量标准板吸光度的比值)，每个波长采样 200 个吸光度相对值数据，求取平均值和标准差，即可得到仪器在不同波长下的信噪比。

　　实验分别对原有传统锁相放大电路和新系统进行测量，篇幅所限，现仅给出波长为 1680nm 时，测得的200 个吸光度相对值对比，如图4 所示。其中原系统采样点集的平均 值为0.99958，标准差为0.00167，信噪比约为55.5dB;新系统采样点集的平均值为1.00007， 标准差为0.00022，信噪比约为73.2dB。由图中数据可看出，新系统在稳定度和上均 相对原系统有较大提高。

　　4. 结束语

　　新系统采用集成有源滤波器和平衡调制解调器分别实现带通滤波和相敏检波的功能， 比传统方法集成度高，匹配好，提高了信噪比。系统在参考通路加入移相电路，可实现0 到180 度无极调节，与手动调节霍尔元件位置相比，调节更加灵活方便。理论分析和实验 结果均表明，选用模拟与数字相结合的新型锁相放大电路，稳定性和较高，算法简单， 运算量小，参数调节灵活方便，可成功应用于近红外光谱测量领域，信噪比可达到73dB。 创新点：选用模拟与数字相结合的新型锁相放大电路，稳定性和较高，算法简单，运 算量小，参数调节灵活方便。

  

参考文献:

[1]. OPA111  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/OPA111+_524464.html.
[2]. UAF42 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/UAF42_669519.html.
[3]. MC14528  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC14528+_2414072.html.
[4]. AD630  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD630+_121920.html.
[5]. ADS1255 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADS1255_124798.html.
[6]. C8051F020  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/C8051F020+_209830.html.