基于锁相放大的近红外光谱信号提取电路研究

　　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,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)的第一台锁相放大器(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。

　　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, 即作为核心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,在精度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。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。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第一级,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。