利用DSP和采样ADC实现数字锁定放大器的方法

锁定放大器（LIA）在微弱信号检测领域有着重要的应用，本质上它是一种实现互相关检测的仪器，模拟LIA一般用开关式乘法器和低通滤波器来实现模拟相敏检波，数字LIA是通过ADC将模拟信号转化为数字信号再由DSP或微处理器来进行数字解调运算。数字LIA比模拟LIA有许多优点，如谐波抑制能力强、无直流漂移、实行数字处理有很好的灵活性等。陈佳圭对早期实现数字LIA的5种主要方法进行了介绍，它们的一个共同特点是算法简单、易行，基本上只需做累加运算就可得出检测结果，但它们不能很好地抑制谐波。左营喜等提出的分段累加相关法有一定的灵活性，可在抑制谐波和提高处理速度之间进行折衷。SR850是国外近几年推出的第一代数字LIA产品，其工作原理是通过ADC以256 kHz的固定采样率把被测模拟信号转换为信号序列，由DSP合成正弦参考序列，在DSP中将参考序列和采样得到的信号序列相乘，再进行数字低通滤波得到解调输出。
　　本文给出了一种利用DSP和采样ADC实现数字锁定放大器的方法，与SR850类似，通过采样ADC将被测模拟信号转换为信号序列，由DSP合成参考序列，但不同的是，这里要控制采样频率以实现整周期采样，这样不仅使得DSP可以精确地合成参考序列，而且能建立简洁、有效的数字互相关运算。文中对这种方法进行了分析，并给出了实际设计的数字LIA。
　　1　工作原理
　　在互相关检测中有一个参考信号，设参考信号频率为fr，可以通过一定方法控制采样频率fs，使得fs＝N·fr，N≥3，N由DSP来确定。设被测信号x（t）＝Asin（2πfrt＋φ），A＞0为信号幅度，φ为信号初相位，在q个参考信号周期对x（t）进行M＝q·N
　　
　　不用对实际的参考信号进行采样，而由DSP根据N来合成正弦参考序列rs（k）和余弦参考序列rc（k）
　　
　　rs（k）和rc（k）分别相当于对正弦参考信号sin（2πfrt）和余弦参考信号cos（2πfrt）进行同步采样所得。按式（3，4）来计算x（k）和rs（k）的互相关Rxrs，x（k）和rc（k）的互相关Rxrc
　　
　　式（3，4）分别表示同相输出和正交输出，对于由式