[发明专利]简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于幅度调制信号检测系统的数字解调技术，尤其是光栅扫描型光谱仪的信号检测系统的数字解调方法。

背景技术

光谱仪器是一种应用广泛的分析仪器，其由光源、调制器、单色仪、取样器、探测器及转换电路、检测和控制系统、电源等几个部分组成。采用光栅扫描进行分光的光谱仪器，其光源发出的复合光，经过调制器机械调制为固定频率的交流调幅光信号，该信号经单色仪后输出各个波长的单色光、通过取样器与样品作用后由探测器及转换电路转换为固定频率的电信号。由于传感器、电路、杂散光等因素的影响，此电信号中必然参杂各种噪声，因此检测系统对此信号进行滤波、放大、解调、模数转换等处理后，得到单色光对应光强(调幅光信号的幅值)的数字量。控制系统控制单色仪扫描从而获得所需波长范围的光谱信号。

对于幅度调制信号的解调，检测系统通常采用锁相放大电路实现：将检测信号和参考信号(与被测信号同频同相的方波信号)进行相敏检波、低通滤波、放大后得到同频分量的幅值信号，从而有效地抑制噪声和谐波。其电路包括检测信号的带通滤波和放大、对参考信号的移相、相敏检波、低通滤波等环节，而且每个部分环节的信号处理的结果均依赖前一级输出信号，输出信号受各级电路影响，造成系统调试难度逐级加大，系统的稳定性、仪器的一致性很难保证。

现有的数字锁相放大器，在电路中省去了移相、相敏检波、低通滤波等环节，但依然存在一些问题。如：

CN102403969A公开了“一种数字锁相放大器和数字锁相控制方法”，采用设置采样频率为被测信号频率4的整周期倍的方法，用加减法运算替代了正交解调中的乘法运算。此种方法需要乘方开方运算，要求被测信号频率稳定且已知，同时要求采样频率为被测信号频率的特定倍数。

CN102916665A公开了一种“双相数字式锁相放大器及其数字域同步锁相算法”，实现自动跟踪滤波、同步锁相功能，可适应变化的信号输入频率，但要求作为参考信号的两路相位差为90°的方波信号与检测信号同频，而且进行三路信号的采集，送入PC机，在由PC机实现锁相算法，不能满足光谱扫描对实时采样的要求。

吉林大学，刘志伟“便携式近红外光谱仪器数字解调采集系统研制”的论文中，提出利用CPLD分频产生4N倍信号频率的采样控制信号进行采样，并进行正交运算实现双相数字锁相放大。但需要检测信号频率已知且稳定，并与CPLD分频产生的控制信号频率成4N倍的关系，否则检测误差大。

可见，现有的数字锁相放大器需要已知被测信号的频率，提供与其同频的参考信号进行乘法和积分运算，或采用特定的采样方法、利用加减法模拟正交计算，计算量大、运算复杂且耗时，影响仪器采集速度，而且对于频率不稳定的检测信号检测误差大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有数字锁相放大器的不足，提供一种简化的数字锁相放大器；

本发明的另一目的是提供简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪及检测方法；是采用数字整周期绝对值累计平均的方法进行光谱幅度调制信号的解调，实现光谱信号光强的检测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪，是由上位机经检测控制系统、驱动控制电路、光源、调制器和单色仪与驱动控制电路连接，驱动控制电路与调制器连接，单色仪经取样器和传感器模块与检测控制系统连接构成。

检测控制系统是由微控制器单元分别经数据线和信号线与高速模数转换器单元连接构成。

驱动控制电路是由检测控制系统分别经稳速电路、稳压控制电路、步进电机驱动电路和限位检测电路分别与切光器、光源和单色仪连接构成。

简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪的检测方法，是微控制器单元采用数字整周期绝对值累计平均的方法，对每个波长点的光谱幅度调制信号进行解调，实现光谱信号强度的检测，以正向过零判断整周期起点检测保证检测信号与参考信号同相且初始相位为0，以整周期信号绝对值累计实现相敏检波中检测信号与2个90°相差的参考信号的乘法和积分，以算数平均运算实现低通滤波，以方波级数展开系数校正获得光谱信号的幅值，包括以下步骤：

a、检测控制系统接受上位机指令，获得采样周期m值；

b、控制ADC采样，采样频率大于等于n倍的信号频率，n≥10；

c、读取ADC采样值x(i)，判断m个整周期的起点k_j和终点k_j+1，其满足：

x(k_t-1)≤0且x(k_t+1)≥0(1)