基于数字锁相放大器的微弱信号检测

基于数字锁相放大器的微弱信号检测

管娟

（沈机集团昆明机床股份有限公司650203）

摘要：以数字锁相放大器为研究对象，利用信号的相关性和噪声的随机性的特点，应用相关检测方法通过运算，去除噪声，检测出微弱信号。以强噪声背景下微弱信号检测的实际需要为出发点，研究数字锁相放大器在微弱信号检测中的应用。采用基于LabVIEW的虚拟数字锁相放大器进行了实际的微弱信号测量，以达到去除噪声将混合在强背景噪声中的微弱信号检测出来的目的。

关键词：微弱信号检测；数字锁相放大器；LabVIEW

1、引言

本论文是研究如何从强噪声中提取有用的微弱信号，研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术，从而将其应用于各个学科领域当中。研究噪声中微弱信号检测的原理和方法，是测量技术中的综合技术和尖端领域。运用微弱信号检测技术可以测量到传统观念认为不能测量的微弱信号，如弱光、小位移、微震动、微温差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流等，使微弱信号测量精度得到很大的提高[1]。

2、基于LabVIEW平台的数字锁相放大器的基本原理

锁相放大器技术是微弱信号检测的一种有效手段，它具有中心频率稳定，通频带窄，品质因数高等优点[2]。LabVIEW是美国国家仪器公司（NationalInstrument,简称NI公司）推出的一门图形化编程语言，同时也是著名的虚拟仪器开发平台[3]。为了提高性价比，利用美国国家仪器公司的软件LabVIEW开发出抗干扰能力强、性能可靠的锁相放大器[4]，数字锁相放大器利用信号的相关性和噪声的随机性的特点，应用相关检测方法通过运算，去除噪声，检测出微弱信号。本论文采用的是基于LabVIEW的虚拟仪器设计的数字锁相放大器来对微弱信号进行分析和处理。

3、基于LabVIEW平台的数字锁相放大器设计

根据数字锁相放大器互相关原理设计的基于LabVIEW平台的数字锁相放大器程序框图如图4.1所示。数字锁相放大器的前面板如图4.2所示：数字锁相放大器的前面板的设计尽量符合真实仪器的效果。

图4.2数字锁相放大器前面板

数字锁相放大器的前面板中相关参数设置如下：

1、输入信号参数设置：正弦波+均匀白噪声

①、待测信号SineWave（正弦波）：偏移量0、频率10Hz、幅值0.01V、相位0度；

②、噪声UniformWhiteNoise(均匀白噪声)：噪声幅值10V（微弱信号检测系统中噪声远比信号大的多）。

2、参考信号参数设置：SineWave（正弦波）、偏移量0、频率10Hz、幅值1V、占空比50%、

相位1：0度、相位2：90度；

3、滤波器参数设置：低截止频率20Hz、高截止频率100Hz、滤波器阶数5Hz；

4、采样参数设置：采样频率1000Hz、采样点数1000；

5、放大器参数设置：放大倍数10倍。

根据以上参数设置仪器相应参数，参数设置在后面的检测中保持不变。运行该基于虚拟仪器LabVIEW的数字锁相放大器进行微弱信号的检测，有针对性的进行如下三种情况的检测。

原始信号：幅值0.01V、频率10Hz、相位0度、输出信噪比-60dB。

1.待测信号为正弦波，参考信号为正弦波，叠加均匀白噪声时的微弱信号检测及结果如下：幅值0.01114V、频率9.99303Hz、相位0.04567度、

输出信噪比23.6458dB、均方根误差0.0000362888；

2.待测信号为正弦波，参考信号为方波，叠加均匀白噪声时的微弱信号检测及结果如下：

幅值0.01313V、频率9.99415Hz、相位0.11678度、

输出信噪比19.6407dB、均方根误差0.0000992743；

3.待测信号为正弦波，参考信号为正弦波，叠加高斯白噪声时的微弱信号检测及结果如下：

幅值0.01384V、频率9.98878Hz、相位0.03969度、

输出信噪比14.853dB、均方根误差0.0001263；

结果分析及总结：

①.三种检测结果的幅值、频率和相位与原始信号的参数基本一致；

②.三种检测结果的输出信噪比均提高了70dB以上，去噪效果较好；

③.三种检测结果的均方根误差约为0，说明输出信号与原始信号的波形基本一致；

④.三种检测结果中参考信号为正弦波，噪声类型为均匀白噪声的微弱信号检测系统的检测效果最好，最接近原始信号的参数，信噪比改善最大，均方根误差也最小，但和其他两种测量结果相差也不大，而且由于系统是波动的，以上数据并不固定。

⑤.总的来说该数字锁相放大器的设计是成功的，也达到了预期的目标。

4、总结

本论文主要是基于LabVIEW平台的数字锁相放大器的设计和应用，采用LabVIEW软件设计了一个基于互相关检测原理的数字锁相放大器，并用它作为微弱信号检测的装置进行微弱信号的检测，确定基于LabVIEW平台的数字锁相放大器的相关参数，从而进行微弱信号的测量。通过对信号输入输出前后的幅值、相位、频率、信噪比和输入输出波形的比较，结果显示，基于LabVIEW平台的数字锁相放大器成功的将掩埋在强背景噪声中的微弱信号提取了出来，并将原始待测信号进行了放大。并比较了不同参考信号和噪声类型对检测结果的影响，总结出不同参考信号和噪声类型对检测结果的影响不是很明显，因此该基于LabVIEW平台的数字锁相放大器的设计是成功的，也达到了预期的目标。

参考文献：

[1]戴逸松.微弱信号检测方法及仪器.北京：国防工业出版社，1994.12.

[2]郎健.数字锁相放大器关键技术研究.硕士论文.天津：天津大学，2006

[3]王磊，陶梅.精通LabVIEW8.X.北京：电子工业出版社，2008.05.

[4]杭利军，何存富，吴斌，蔡栋生.基于LabVIEW平台的锁相放大器在管道泄漏检测中的应用.北京工业大学学报.2008.34(3):241-244.