摘要：在基于TDLAS的汽车尾气测量系统中，由于待测量激光信号的强度变化非常微弱且处于很强的噪声背景中，因此必须采用微弱信号检测中常用的锁定放大器来检测激光的微弱变化。本文对锁定放大器对微弱信号的测量原理、数字锁放在尾气测量系统中的系统框架设计以及用DSP芯片TMS320F2812软件设计数字锁定放大器作了详细的分析和介绍。
关键词：数字锁定放大器 微弱信号 数字信号处理器
1引言
数字锁定放大器相比模拟锁定放大器具有稳定、精度高等特点[1]，在频率扫描中有明显的优点。基于TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技术采用频率调制技术向激光二极管注入正弦波电流进行频率调制，用调制频率的倍频信号作为参考信号，用锁定放大器锁定所关心的二次谐波信号，采用DSP设计的锁定放大器用于二次谐波检测使测量系统有极高的灵敏度、精确的分辨率以和较高的动态响应速度。
2数字锁定放大器原理
数字锁定放大器DLIA的原理框图及算法如图1所示。
图1系统框图
由图1即可运用DSP数字锁定放大器的软件设计，整个系统的软件结构流程如图2所示：
图2 数字锁放软件流程
锁定算法程序如下：
Void main()
{
……….. //系统初始化，变量定义及初始化，略
//产生频率为f Hz（此处为激光信号二次谐波频率）的参考正弦和参考余弦.
RefWave(f);
Sigfilt(); //运用TI提供的滤波器库滤除噪声
Correlate(); //相关运算
lpf();
AmpCalc();
PhaCalc();
………. //后续处理：显示输出、反馈控制量等
}
其中生成参考信号和相关计算子程序如下：
void RefWave(f)
{
for(i=0; i<f; i++)
{
x = _IQ(PI*i/10); //据本文公式(2)产生参考，N的值为20
sinx[i] = _IQsin(x); //采用Q格式运算，因为2812为定点DSP
cosx[i] = _IQcos(x);
}
}
void Correlate()
{
for(i=0; i<n; i++) //n为积分时间的样点数
{
//进行乘加运算，_IQtoIQ20的作用为防溢出
temp1 += _IQ20mpy(_IQtoIQ20(input[i]), _IQtoIQ20(sinx[i]));
temp2 += _IQ20mpy(_IQtoIQ20(input[i]), _IQtoIQ20(cosx[i]));
}
M = _IQ20(m); //信号的M个采样点
temp1 = _IQ20div(temp1, M); //公式（3）
Rxrs = _IQ20toIQ(temp1); //正弦互相关结果
temp2 = _IQ20div(temp2, M);
Rxrc = _IQ20toIQ(temp2); //余弦互相关结果
}
3数字锁定放大器在TDLAS测量系统中的应用
图3是利用激光测量汽车废气浓度的系统框图。
图3 基于TDLAS二次谐波检测气体浓度系统
本系统采用TDLAS原理，对汽车排放尾中的二氧化碳浓度进行测量。TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）测量系统的激光光源由商用的可调谐激光二极管产生，采用的是基准波长为1583.69nm、输出波长可调的NLK1556STG蝶形激光二极管，其输出功率和波长由激光控制器LDC-3724B决定。输出光束经过分光比例为50/50的分光器后变为两束，一束直接进入到自平衡接收器，一束经瞄准器对准，穿过样本气室后由光纤接收进入到自平衡接收器，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达到50dB，可以消除两路光束的噪声，同时也可以降低对于锁定放大器的动态范围和线性程度的要求。自平衡接收器的输出作为锁定放大器的输入，锁放采用本文前面所述的数字设计方法，首先由ADC采样自平衡接收器输出的模拟信号，然后在TMS320F2812内部用锁定核心算法，锁定被测信号的二次谐波信号分量，最后依据Lambert-Beer定律[2]计算测量结果并输出。在对信号进行处理的同时利用DSP产生30KHz的正弦信号和50Hz的斜坡信号作为激光二极管的调制信号。
4实验结果
借助于TMS320F2812强大的数据处理能力，运用相关算法和滤波算法[3]，数字锁定放大器对于微弱信号的检测能力相较于传统的模拟锁定放大器得到了极大的提高，其噪声抑制能力Q值能达到106。本文设计的数字锁定放大器应用在基于TDLAS二次谐波检测气体浓度系统中，其检测精度能达到10ppb级。在应用于汽车尾气测量系统时，能够实时动态的对气体浓度进行检测并得到结果。运用DSP设计的数字锁定放大器对于汽车尾气检测系统中微弱的激光信号，，对于汽车废气的动态排放规律研究新的控制策略有重要意义。
参考文献
[1] 陈佳圭.微弱信号检测. 北京: 中央广播电视大学出版社.
[2] 原子吸收光谱分析；原子吸收光谱分析编写组编写，地质出版社，1979。
[3] 杨健，张慧慧．基于TMS320C5416的数采系统FIR滤波器算法研究与实现．微计算机信息，2006，2-1：153-155。
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