基于锁相放大的近红外光谱信号提取电路研究

3.3 相敏检波

相敏检波器作为锁相放大技术中的乘法器，是整个系统的灵魂，它的线性度和动态范 围决定了系统的弱信号检测水平。 系统选用平衡调制解调器 AD630 作为相敏检波器件，如图3 所示，AD630 和运放连 接构成相敏检波和低通滤波的功能。将运放A 的输入端接信号通道，将比较器的输入端接 同步参考信号，则基于同步解调原理，参考信号同步的选通和关断运放A，使得AD630 可作为锁相放大器中的同步检波器使用。

AD630 等效于将两片运放和开关式乘法器集成在 一个芯片内，实现了高精度解调，动态范围达到100dB。

3.4 高精度 AD 转换和数据处理

锁相放大的输出信号，经过 AD 转换后传入计算机进行后期的数据保存和处理。系统 采用TI 公司的工业型AD 转换芯片ADS1255，ADS1255 是一款高精度的24 位Δ- Σ 型模 数转换器，具有高达23 比特的无噪声精度，非线性度为±0.0010%，数据采样率最大可 到30KHz。实际应用中，由于存在板间分布电容，传输线之间的串扰等噪声因素，AD 转 换的精度可保持在16 比特，基本满足系统要求。

系统采用 C8051F020 与AD 转换芯片之间进行SPI 通讯，获得AD 转换输出信号，并 对信号进行预处理和保存。再将单片机与计算机之间建立串口通讯协议，最终在计算机上 实现对信号的二次滤波和其他相关去噪处理。

3.5 实验

实验平台选用以PbS 做传感器的滤光片型近红外光谱仪，该光谱仪斩光盘斩光频率为 400Hz，稳速达到±1%，可测量波长1680nm-2350nm之间分立的12个波长，针对每一个 波长点分别测量标准板的吸光度相对值(即两次测量标准板吸光度的比值)，每个波长采样 200 个吸光度相对值数据，求取平均值和标准差，即可得到仪器在不同波长下的信噪比。

实验分别对原有传统锁相放大电路和新系统进行测量，篇幅所限，现仅给出波长为 1680nm 时，测得的200 个吸光度相对值对比，如图4 所示。其中原系统采样点集的平均 值为0.99958，标准差为0.00167，信噪比约为55.5dB;新系统采样点集的平均值为1.00007， 标准差为0.00022，信噪比约为73.2dB。由图中数据可看出，新系统在稳定度和精度上均 相对原系统有较大提高。

4. 结束语

新系统采用集成有源滤波器和平衡调制解调器分别实现带通滤波和相敏检波的功能， 比传统方法集成度高，匹配好，提高了信噪比。系统在参考通路加入移相电路，可实现0 到180 度无极调节，与手动调节霍尔元件位置相比，调节更加灵活方便。理论分析和实验 结果均表明，选用模拟与数字相结合的新型锁相放大电路，稳定性和精度较高，算法简单， 运算量小，参数调节灵活方便，可成功应用于近红外光谱测量领域，信噪比可达到73dB。 创新点：选用模拟与数字相结合的新型锁相放大电路，稳定性和精度较高，算法简单，运 算量小，参数调节灵活方便。