1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1、研究背景

弱信号检测一直是测量领域的重点研究问题，锁相放大器（LIA）是用于检测微弱信号的一种主要工具，能够检测微弱周期信号，具有检测能力强、通用性强、可靠性高等优点，因而在微弱信号检测中有着广泛应用。随着数字处理技术的发展，出现了数字锁相放大器（DLIA），DLIA克服了模拟锁相放大器（ALIA）的温漂和其他非理想的低频特性，极大改善了锁相放大器的性能，使LIA的研究发展和应用得到了很大提高。

所谓“微弱信号”，不仅意味着信号的幅度小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱信号”是相对于噪声而言的。微弱信号检测技术作为一门新兴的技术科学，它运用近年来迅速发展起来的电子学、信息论和物理学方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，采用一系列的信号处理方法，达到检测被背景噪声覆盖的微弱信号。在科研的各个领域，包括物理学，生物医学，化学等许多学科，都不可避免会经常遇到比如微震动、微电流、微电压等微弱信号。

传统的微弱信号检测理论和手段主要有相干检测、取样平均与数字滤波、概率密度函数测量及并行检测等。近几十年来，一些新的理论，如现代谱估计理论、混纯理论以及自适应滤波等方法，也渐渐在微弱信号检测领域得到广泛应用。而高精度检测仪器的研发正是依赖于这些更深入的检测理论和算法。微弱信号检测设备中越来越多的使用了一些高性能、低成本的集成电路器件，比如数字信号处理器（DSP），可编程逻辑门阵列（FPGA）等。这些器件可以将模拟电路的部分功能数字化，并能实现一些先进的信号处理算法，从而使得检测技术与检测设备性能也获得了极大的改善与提升。微弱信号检测设备目前正向着数字化、便携式和智能化的方向发展。

目前针对微弱正弦信号己经提出了相应的检测方法，也研制出一些测试的仪器设备。现在普遍应用的微弱信号参数估计的理论基础包括最大后验概率估计、最大似然估计、贝叶斯估计、线性最小方差估计等。目前基于这些先进理论而发展较为成熟的微弱信号检测仪器仪表主要有：锁相放大器、低噪声放大器、光子计数器和取样积分器等。锁相放大器检测的理论基础是最大似然估计理论，根据有用信号和噪声与参考信号的相关性不同这一特点，来实现噪声中微弱正弦信号参量的测量，因此它是一个相关检测装置。当被测正弦信号的信噪比低至10^-5时，锁相放大器仍然可以对其进行测量，这时它起到中心频率可调，带宽小于0.0004Hz的带通滤波器的作用。锁相放大器作为一种常用的微弱信号检测仪器，被广泛应用到物理学、电学、化学等多种科学领域研究中，发挥着极其重要的作用。

1.2、研究目的与意义

传统的LIA一般是利用模拟电路搭建完成，待测信号与参考信号经过外部信号通道处理后分别进入由模拟乘法器与模拟低通滤波器构成的相关解调器，最终将结果输出。但传统的模拟 LIA 存在着温度漂移，噪声等缺点，以及模拟器件自身存在精度问题、电路板制作和其它因素带来的干扰，从而对精度产生影响，因此已逐步被 DLIA 取代。DLIA 采用数字相关解调器取代模拟器件，数字相关解调器在动态范围、线性失真、噪声等方面的性能优点已经远大于模拟器件，对于零点漂移的问题，使用数字器件几乎可以完全消除。另外，由于ALIA 不是闭环的反馈系统，容易产生信号失真，而且一旦硬件设计完成，系统功能就被固定，不易灵活变动及进行升级。而DLIA具有很好的灵活性，可以对制作出的不同功能模块进行灵活的选择、连接和控制，从而实现对锁定放大器灵敏度、频率的动态范围、及显示方式等功能的灵活改变。DLIA 的这种先进数字信号处理技术，极大的提高了数字锁相放大器的准确度及灵活性。并且数字锁相放大器具有成本低、易携带、可远程控制等特性，已经成为锁相放大器未来发展的趋势。

以往的数字信号处理系统，一般都是以 DSP处理器作为核心处理器件，虽然DSP 处理器可以通过软件的编程实现不同的控制功能。但随着科学技术的不断发展，对数字信号处理系统要求也不断的提高，DSP处理器的这种固定的硬件结构在很多需要灵活变化的应用场合已经不能满足要求。此外，由于DSP处理器的CPU架构是顺序执行的，这就严重的制约了系统的处理速度，因此DSP处理器也不再适应对速度有较高要求的场合。

FPGA即现场可编程逻辑门阵列的出现克服了上述方案的诸多不足，其结构核心是规则的可编程逻辑单元阵列，并且包含丰富的可编程互联结构和可编程I/O单元，因此可灵活的实现不同的组合逻辑和时序逻辑，使得FPGA 构成的数字信号处理系统可以灵活的修改及硬件升级。并且具有容量大、速度快、设计周期短等优点，使得 FPGA 在数字信号处理系统当中可以很好地解决并行性和速度问题，因此 FPGA 技术在当下得到飞速发展和广泛应用。

依据FPGA的结构特点，本文提出并设计了一种新型的基于FPGA的数字锁相放大器。以FPGA为核心，将通过信号通道处理和AD转换后而得到的数字信号与FPGA 内部生成的参考信号作相关运算，最后实现对信号的检测。

1.3、锁相放大器发展概况

自1962年美国PrincetonApplied Research Corporation(PARC)公司基于锁相放大原理，首先研制出第一台锁相放大器——检测噪声中微弱正弦信号的锁相放大仪器，国内外对于锁相放大器的研究取得了很大的进步。在几十年中，锁相放大器的研宄不断向前推进与发展，各项检测技术指标也获得了很大的提升，从其检测频带、动态范围到检测精度都有了数量级的飞跃。

模拟电路在国内外锁相放大器的初始研宄中应用广泛。但是模拟器件本身电阻、电容、电感等参数不稳，且易受外部环境因素的影响，这使得模拟电路的设计难以保证稳定的精度，也就造成了模拟锁相放大器在测量准确度、稳定度等方面得问题。随着数字技术的不断发展，采用DSP或者FPGA技术而实现的数字型锁相放大器，将模拟信号转换成数字信号进行处理，用一系列数字量的乘法和加法运算，代替模拟乘法和滤波运算，克服了模拟乘法器的非线性和零漂大的缺点，具有测量误差小、稳定性强、功能灵活、不易受温度和直流偏置影响等优势，逐渐成为锁相放大器发展的主流方向。

对于锁相放大器的研究，国外的科研机构着手的比较早，技术也较为成熟。目前市场上通用锁相放大器的主流产品大都来自美国和日本，其中有代表性的包括美国斯坦福研宄系统设计与生产的SR8XX系列产品，美国信号还原公司所提出的Model 7265系列产品，和日本NF公司的LI5630/5640产品等。它们具有极高的稳定性和精度，己经成为业界的标准。它们的主要技术指标如下表：

表1.1主流数字锁相器的主要技术指标

相比国外，国内关于锁相放大器的研究相对晚一些，这些研究目前主要集中在部分高校及科研院所，目前国内自主研发的通用锁相放大器产品还比较少，主要有南京大学唐洪宾等研发的FS型和ND型系列产品，中电第四十一研究所研制的AV3891型锁相放大器等。虽然通用型的产品开发的不多，但是国内的很多高校都在积极致力于该领域的研宄，并把研究成果应用在不同的领域里。天津大学的一些科研人员在锁相放大算法中引入了过采样理论，还对此提出了改进的算法，从而简化锁相放大器的构建电路；西安电子科技大学的赵玉国将锁相放大器用在噪声测试领域，组建了一个基于锁相放大器的测试系统，电噪声测试精度得到显著提高。中山大学的胡庆荣等用FPGA配合高速AD以及内嵌DSP的主控芯片，引入Cordic算法和自跟踪窄带滤波技术，设计出一套响应时间性能优越的锁相放大器系统另外，哈尔滨工业大学、山西大学等许多高校都相继展开了以DSP为实现平台的数字锁相放大器的研宄。

2. 研究的基本内容与方案

2.1、研究的基本内容

本设计是基于fpga的数字锁相放大器的研究与实现，数字锁相放大器的核心部分在于相敏检波器psd，又称相关解调器，本设计核心思想是借助fpga完成双通道数字相关解调，以避免参考信号序列与被测信号序列之间相位差对输出结果的影响，主要研究内容包括以下几个方面：

（1）数字锁相放大器的研究目的与意义，以及国内外锁相放大器的发展现状；

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。确定方案，完成开题报告。

第4－5周：熟悉掌握基本理论，完成英文资料的翻译，熟悉fpga开发环境及编程语言。

第6－8周：编程实现各算法，并在quartus ii上进行仿真、设计与调试，并且初步设计出硬件电路pcb。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 黄熙. 数字锁相放大器的设计与实现[d]. 中山大学, 2008.

[2] 罗文建. 锁相放大器中的高灵敏度微弱光电信号检测技术[c]// 大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集. 2004.

[3] 高晋占. 微弱信号检测[m]. 清华大学出版社,2011.