基于LabVIEW的微弱光电信号检测系统软件设计.doc

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1、洛阳理工学院毕业设计（论文） 目录前言1第1章 微弱光电信号检测概述21.1微弱光电信号检测背景及意义21.2微弱光电信号检测技术31.2.1微弱光电信号检测常用方法41.2.2课题主要研究内容7第2章 锁相放大器原理分析82.1锁相放大器的基本组成82.1.1信号通道92.1.2参考通道92.1.3相敏检波器(PSD)92.1.4低通滤波器(LPF)102.2锁相放大器的特性112.3锁相放大器的工作原理12第3章 锁相放大器的硬件设计143.1 硬件整体设计143.2前置放大电路143.3移相电路153.4 相敏检波器电路163.5低通滤波器电路17第4章 锁相放大器的软件设计184.1虚

2、拟仪器与LabVIEW介绍184.1.1虚拟仪器技术184.1.2 LabVIEW简介214.2 LabVIEW软件设计224.2.1 LabVIEW应用程序的构成224.2.2 LabVIEW程序设计234.2.3前面板及程序框图284.2.4各部分设计及功能介绍304.3串口通信设计34第5章 系统调试及结果分析35结论37谢 辞38参考文献39附录41外文资料翻译43基于LabVIEW的微弱光电信号检测系统软件设计摘 要微弱信号是被淹没在噪声中的信号，微弱信号检测的主要目的是提高信噪比。微弱光电信号检测是工业自动化中常见的一个问题，本文应用光电检测技术原理，设计了基于LabVIEW的锁相

3、放大器。锁相放大器是一种可以从大量的噪声干扰中提取微弱信号的仪器，是一种全新的适用于教育、科研以及工业控制的精密仪器，可广泛应用于生物，化学，物理等多方面领域。它主要是利用信号、噪声的时间特性不同，设法得到抑制噪声和干扰发现微弱信号的检测方法。本文基于LabVIEW虚拟技术设计平台和相关的原理，利用LabVIEW软件实现锁相检测的技术，检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。文中同时对锁相放大器进行了调试，调试结果证明此方法可以有效地实现对被调制的微弱光电信号的检测。关键词：LabVIEW，微弱光电信号，锁相放大器The Design of The Weak Signal Dete

4、ction System SoftwareBased on LabVIEWABSTRACTThe weak signal is the signal buried in noise, the main purpose of weak signal detection is to improve the signal to noise ratio. The weak signal detection is a common problem in the industrial automation, this paper applied the principle of photoelectric

5、 detection technology, designed the lock-in amplifier based on LabVIEW. The lock-in amplifier is a weak signal can be extracted from the instrument much noise, is a new applied to education, scientific research and industrial control precision instrument, can be widely used in the field of biology,

6、chemistry, physics etc. It is mainly the time by using the characteristic of signal, noise, managed to suppress noise and interference detection method for weak signal. In this paper, the LabVIEW virtual design platform and related on the basis of the principle, phase-locked amplifier using LabVIEW

7、software, the detection of weak sinusoidal signal amplitude are known in the strong background noise frequency value. At the same time, the lock-in amplifier debugging, debugging results show that this method can effectively realize the detection of weak photoelectric signal modulation.KEY WORDS: La

8、bVIEW，Weak photoelectric signal，Lock-in amplifier V前言信息时代需要获取大量的信息，因此许多工程技术和科学研究的信息需要用检测的方法来获取，当被检测的信号非常微弱时，很容易被噪声淹没，对它们进行检测往往变得非常困难。微弱信号检测就是利用信号处理方法和近代电子学从噪声中提取所需信号的一门新兴技术学科。检测微弱光电信号最重要的问题是对噪声的处理，最常用、最简单的办法是采用选频放大技术，使放大器的中心频率与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但这个方法存在带宽不能太窄、中心频度不稳等缺点。后来出现了锁相放大技术，它是利用被测信号和参考信号的互相关检

9、测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。目前，锁相放大技术已广泛地用于化学、电讯、生物、物理、医学等纵多领域。因此，培养学生掌握锁相放大技术的原理和应用，具有重要的现实意义。所以对于微弱信号的测量，我们非常有必要对锁相放大器进行研究和设计。 自从1962年，美国EG&GPARC（SIGNAL RECOVERY公司的前身）公司制作了第一台锁相放大器后，微弱光电信号检测技术得到了很大的发展。后来又出现了模拟锁相放大器(AllA)和数字锁相放大器(DllA)。对于数字锁相放大器(DllA)来说，又出现基于专用DSP的DHA和基于单片机的DHA。还出现了基于PC的系统级

10、模块化的数字锁相放大器(DllA)，这种锁相放大器的算法是采用C、C+等语言实现的，因为整个系统是运行在PC平台上的，所以可以使用各种仿真软件对算法进行研究。锁相放大器（Lock-in amplifier ，LIA）在利用信号的频率特性的同时，还可以利用信号的相位特点，也就是说“锁定”了被测信号的相位。而它本身又有很强的滤除噪声的能力，并且它的输出比较稳定，可以将在很强噪声背景下的微小信号提取出来并加以放大。因此在遇到微弱光电信号检测时，可以采用锁相放大器。1第1章 微弱光电信号检测概述1.1 微弱光电信号检测背景及意义微弱信号检测是检测技术中的一个综合性的技术分支，它利用物理学、信息论和电子

11、学的方法，分析噪声产生的规律和原因，研究被测信号的特征和相关性，检测出被背景噪声所掩盖的微弱光电信号。微弱信号检测技术主要研究的是如何从 强噪声中提取所需的有用信号，探索采用新方法和新技术来提高检测系统输出信号的信噪比。在规律的科学研究、自然现象和工程实践中经常会遇到需要检测毫微伏量级信号的问题，比如生物电信号测量、红外探测、卫星信号的接收、材料分析时测量荧光光强以及测定地震的波形和波速等，这些问题都属于噪声中微弱信号的检测。在化学、物理、生物医学、材料学和遥感等领域有广泛应用。微弱信号检测的核心是研究怎样从比较强的噪声中提取有用信号，任务是研究微弱信号检测的理论，探索新技术和新方法从而使其应

12、用于各个学科领域中1。“微弱信号”不仅仅意味着信号的幅度很小，它主要指的是被背景噪声淹没的信号，“微弱”是相对于背景嗓声而言的。只有在有效地抑制噪声的前提下放大微弱信号的幅度，才可以提取出有用的信号。所以微弱信号检测技术的核心是提高信噪比，这就要采用信息论、电子学、物理学和计算机的方法，从很强的噪声中检测出有用的微弱信号，来满足现代技术发展和科学研究的需要。微弱信号检测技术与一般的检测技术不同，它注重的不是传感器的传感原理和物理模型、仪表实现方法和相应的信号转换电路，而是注重如何抑制噪声和提高信噪比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。对于各种微弱信号的测量，如小电容、小位移、微

13、温差、微震动、弱光、弱声、弱磁、微电流、微电导等，一般都是通过相应的传感器将其转换为低电压或微电流，再经由放大器放大它的幅度以达到预期被测量的大小。但是，由于被测信号比较微弱，放大电路、传感器、测量仪器本身所带的噪声以及外界对它的干扰噪声都远远大于有用信号的幅度，噪声随着被测信号的放大而放大，并且一些额外的噪声也会随之产生，就像放大器本身所具有的噪声和其他外部干扰噪声，因此只是放大并不能把微小的信号给检测出来。想要获得有用的信号，要先对噪声进行有效的抑制，再增大微弱信号的幅度。为了达到这一目标，必须研究微弱信号检测方法、理论和设备。对微弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号检测方法，研究并制造

14、新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一个热点2。在检测被淹没在背景噪声中的微弱信号时，对信号进行放大是很有必要的。但是由于微弱信号本身的背景噪声和放大器噪声的影响，检测的灵敏度会受到限制。因此，微弱信号的检测有以下三个特点：（1）前置放大器的噪声系数应尽量小，并根据工作频率与源阻抗设计最佳匹配。（2）研制适合微弱信号检测原理并能满足特殊需要的器件。（3）利用信息论和电子学的方法，研究噪声的规律和成因，分析信号的特点和相关关系。微弱信号检测在理论方面重点研究的内容有：（1）噪声理论、模型及克服噪声的途径。（2）应用功率谱方法解决单次信号的捕获。（3）快速瞬变的处理。（4）少量积累平均，信噪比

15、极大改善的方法。（5）对低占空比信号的再现。（6）随机信号的平均及测量时间的减少。（7）对传感器的噪声特性的改善。（8）模拟锁相技术与数字平均技术相结合。1.2 微弱光电信号检测技术微弱信号检测的目的就是希望能够利用新的方法以及技术手段以提高系统信噪比，进而可以更好的从背景噪声中提取出想要获得的有用信号。为了满足现代科学技术的发展需求，我们可以利用电子学、信息技术、化学、物理以及计算机等方法，对新的检测方法、理论和设备进行研究。随着科学技术的发展，微弱信号检测技术的一个重要的分支也就是微弱光电检测技术的重要性将变得更加突出，这是因为微弱光电检测技术，它的许多特点都符合微弱信号检测技术的发展趋势

16、，并且能够满足其发展需要。自20世纪60年代初至今，微弱光电信号检测技术已经取得了比较重大的进展，它所应用的范围也在不断地扩大，由此产生的新技术，仪器设备已经成为现代科学研究中不可或缺的手段。在光度量的测量中，被测信号经常会遇到被噪声淹没的情况。例如：对空间物体的检测，常伴有很强的背景辐射；特别是光谱测量中特别是吸收光谱的弱谱线是最可能被环境辐射或检测设备内部的噪音所淹没。为稳定和准确的检测，需要从噪声中提取、增强和恢复被测信号的技术措施。通常噪声（闪烁噪声和热噪声等）的时间和振幅的变化是随机的，在很宽使我光谱范围内分布。它们的光谱分布和大多数非重叠信号的频谱，没有同步关系。因此，降低噪声、提

17、高信噪比的基本方法可用于信道的宽带压缩试验方法。当噪声是随机白噪声时，检测通道的输出噪声与频带宽的平方根成正比，只要压缩的带宽不影响信号输出，输出噪声就大大降低。此外，采用取样平均处理的方法，使信号多次同步取样积累，也可降低噪声。这是因为信号的增加取决于取样总数，而随机白噪声的增加却仅有取样数的平方根决定，所以可以改善信噪比。根据这些原理，常用的弱光信号检测方法可分为：光子计数器、取样积分器和锁相放大器几种方式3。1.2.1 微弱光电信号检测常用方法1取样积分器取样积分器是一种利用平均化和取样技术，测定深埋在噪声中的周期性信号的测量装置。对于周期性的有用信号，若在每个周期的同一相位处对波形上某

18、点的数值进行多次采集，其加算平均的结果与该点处的瞬时值成比例，而随机噪声的长时间平均值将收敛为零，这就是取样积分器为何能改善信噪比。取样积分包括积分和取样两个过程，其基本原理如图1-2所示。如图可知r(t)是被测信号本身或与被测信号同频的参考信号。掺杂有干扰噪声n(t)的被测信号s(t)，s(t)的周期为T，可测的信号x(t)=s(t)+n(t)，它经过放大后输入到取样开关。触发脉冲信号由触发电路基于参考信号波形的情况形成并经过延时后生成一定宽度的取样脉冲，控制取样开关K的开闭，完成对输人信号x(t)的取样4。积分脉宽T g延时触发x(t)r(t)K 图1-2 取样积分原理2光子计数现代光测量

19、技术已进入极微弱发光分析时代。在诸如生物微弱发光分析、化学发光分析、发光免疫分析等领域中，辐射光强度极其微弱，要求对所辐射的光子数进行计数检测。光子计数系统是一种利用光电倍增管能检测单个光子能量的功能，通过光电子计数的方法测量极微弱光脉冲信号的装置。基本的光子计数系统示意图如图1-3所示。由图可知，光子入射到光电倍增管阴极上后产生输出信号脉冲，然后经放大器将输出信号脉冲送到脉冲高度鉴别器上。除有用的光子脉冲之外，由放大器输出的信号还包括器件噪声和多光子脉冲。后者是由时间上不能分辨的连续光子集合而成的大幅度脉冲。峰值鉴别器的作用是从中分理出单光子脉冲，再用计数器计数光子脉冲数，并计算出在一定时间

20、间隔内的计数值，是以数字和模拟形式输出5。计数器PMT数模转换器比例计参考电压噪声计数脉冲模拟输出数字输出模拟输出放大器鉴别器光子图1-3 基本的光子计数系统3锁相放大器锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同相位和频率关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同相、同频的噪声分量有响应。因此，可以大幅度抑制没有用的噪声，改善检测信噪比。另外，锁相放大器的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。锁相放大器是在相关检测技术的基础上，利用互相关原理设计的一种同步相干检测仪。它是一种对被测信号和参考信号进行相关运算的电子设备，从噪声

21、中获得有用信号是利用参考信号频率与噪声频率不相关，与被测信号频率相关的原理。它与一般的放大器不同，它的输出信号是把交流分量放大并变成相应的直流信号输出，而不是对输入信号的简单放大。所以说锁相放大器是将微弱信号从 强噪声中提取出来的一种重要方法。在国外常把这类仪器称为锁定放大器6。也可以理解为：把被测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。锁相放大器结构框图如图1-4所示。锁相放大器的最基本原理是相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数和的相关函数表示为： （1-1）输入信号信号通道（前放+选放）参考通道（移相+整形）相关电路参考信号图1-4 锁相放大器结构框图其中为参考信号， （1-

22、2）为测量信号，为需要检测出来的信号，与频率相同。综合上述介绍，锁相放大技术对于微弱光电信号有较高的检测灵敏度，则本文主要研究锁相检测技术。1.2.2 课题主要研究内容本文在理论方面对微弱光电信号检测的基本原理进行了分析，主要是研究了微弱光电信号检测技术中的锁相放大器，结合虚拟仪器技术，在计算机上采用LabVIEW软件编写程序，实现对采集信号的实时显示和处理。本文利用测量信号与两路参考信号的互相关原理将所需频率的微小信号锁定并进行测量，两路有 恒定相位差的参考信号的设计使得可通过计算直接输出被测信号的幅值，制作了基于LabVIEW的锁相放大器原型并进行了初步测试。第2章 锁相放大器原理分析锁相

23、放大器实际上是一个模拟的傅里叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压，它与输入信号中某一特定频率（参数输入频率）的信号幅值成正比。而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何影响。两个正弦信号，频率都为1Hz，0度相位差，用乘法器运算得到的结果是一个有直流 偏 量的正弦信号。如果是一个1Hz和一个1.1Hz的信号相乘，用乘法器运算得到的结果是轮廓为正弦的调制信号，但是直流偏量为0。只有和参考信号频率相同的信号才可以在经过乘法器运算后输出端得到直流偏量，而其他信号在输出端 都是交流信号。可以在乘法器的输出端加一个低通滤波器，来滤除所有的交流信号分量，而所剩下的直流分量就只是正比于输入号中的

24、特定频率的信号分量的幅值7。2.1锁相放大器的基本组成锁相放大器是采用相干技术制成的微弱信号检测仪器，其基本结构由信号通道、参考通道和相敏检波器（相关器）三部分组成。锁相放大器基本组成示于图2-1。参考通道信号通道输出参考输入r(t)）)触发移相方波驱动ACAC滤波LPFPSDDCx(t)r(t)触发移相方波驱动滤波LPFPSDx(t)参考通道输出信号通道 参考输入图2-1 锁相放大器基本组成2.1.1 信号通道信号通道包括低噪声前置放大器和带通滤波器。它的作用主要是对微弱信号进行交流放大，将待调整的输入信号放大到足够大，以适于推动后面的部分电路的正常工作并抑制和滤除部分干扰和噪声，扩大相敏检

25、测的动态范围。信号通道对输入的幅度调制正弦信号进行放大、滤波和其他处理。由于被测信号相对较弱(如nV数量级)，以及随之而来的噪声比较大，这就要求信号通道的前置放大器必须具备低噪声、高增益和动态范围大的特点。此外，前置放大器的等效噪声阻抗要与信号源的输出阻抗相匹配、共模抑制比(CMRR)要高，使噪声性能达到最佳，对不同的测量目标要使用不同的传感器，如热电阻、热电偶、光电倍增管、压敏电阻、应变片等，它们的输出阻抗都不一样，为了实现前置放大器与传感器的噪声匹配，以达到最小的噪声系数，需要设计和生产针对不同传感器的前置放大器。2.1.2参考通道参考通道的功能是提供与被测信号相干的参考信号。方波、正弦波

26、、脉冲波、三角波或其他不规则形状的周期信号均可作为参考通道的输入信号。参考通道为了适应各种幅度的输入信号，在其输人端 一般都包括放大或衰减电路。参考通道的输出可以是正弦波或方波。由前面分析可知，的幅度漂移会影响锁相放大器的输出精度，为了避免这种情况的发生，最好采用占空比为50%的方波开关信号，用电子开关乘法器实现相敏检测。参考通道中的主要部件还包括移相电路，它可以实现按级跳变的相移(例如90，180，270等)和连续可调的相移（例如0100），因此可以得到0360范围内的任何相移值。移相电路可以由模拟门积分比较器或锁相环(PLL)实现，也可以用集成化的环路滤波、压控振荡器(VCO)和数字式鉴相

27、器组成8。2.1.3 相敏检波器（PSD）锁相放大器的核心部件是PSD，相敏检波器(PSD)，就是对两个信号之间的相位进行检波。在实际应用中，这两个信号往往是同频的，或者是互为倍数。检波以后的输出以同相信号(相位差=0。)为最大，相位差=90时为零，在这之间则与成比例。 这种电路具有明显的特点，即能对噪声有相当的抑制。由于噪声的随机性，同频又同相的可能性极小。同时，通过PSD及后接低通滤波器(LPF)，构成了极窄的等效噪声通带。或者说对信号与噪声作了长时间的积分平均，噪声就不可能对输出有所贡献。这在锁相放大器中，完成了对相位的锁定9。它以参考信号为基准，对有用信号进行相敏检测，从而实现频谱迁移

28、过程。将的频谱由处，再经LPF滤除噪声，输出直流信号，其幅度与两路输入信号幅度及它们的相位有关。其输出对x(t)的幅度和相位都敏感，这样就达到了既鉴幅 又鉴相的目的。因为LPF的频带可以做得很窄，所以可使锁相放大器达到较大的SNIR。相敏检波器是由乘法器和积分器组成，其中乘法器一般采用开关乘法器即相敏检波器，积分器通常由低通滤波器组成，图2-2给出了相敏检波器的构成原理图。带通滤波相敏检波器待测信号待测信号图2-2 相敏检波器的原理图2.1.4 低通滤波器(LPF)锁相放大器主要由低通滤波器（LPF）来改善信噪比。低通滤波器的时间常数RC越大，锁相放大器的通频带宽度越窄，抑制噪声的能力越强。即

29、使低通滤波器（LPF）的拐点频率很低，其频率特性仍然能够保持相当稳定，这就是低通滤波器（LPF）能实现窄带化的优点。为了使低通滤波器（LPF）的输出能够驱动合适的显示或指示设备，常常在低通滤波器的输出端使用直流放大器对其输出进行放大。直流放大器的输入失调电压要小，时间漂移和温度漂移也要小。LPF的拐点频率常做成可调的，以适应不同的被测信号频率特性的需要10。2.2 锁相放大器的特性目前国内外生产的锁相放大器的等效噪声带宽在数量级，只有很少数的可达到 ，信号带宽。从、的数值可以知道，锁相放大器的信号和噪声带宽非常窄。如果工作频率，根据平常对带通滤波器Q值的定义，锁相放大器的等效Q值为， 这是一般

30、滤波器无法达到的。由于锁相放大器的等效Q 值由低通滤波器的积分时间常数决定，所以对元件和环境的稳定性要求不高。由于白噪声电压与噪声带宽平方根成正比，如热噪声电压为 （2-1）设锁相放大器的输入等效带宽为 （2-2）则它的输出等效带宽为 （2-3）那么锁相放大器的信噪改善比为= （2-4）此结果表明，锁相放大器提高了信噪比。这就说明，采用相关技术所设计的锁相放大器具有很强的抑制噪声能力。 2.3 锁相放大器的工作原理锁相放大器利用被测信号和参考信号的相干检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。本设计将参考信号设定为方波，并输入相敏检波器的参考端，所测信号作为它的

31、另一个输入。设加在PSD上的被测信号为，方波参考信号为，幅值为1。PSD的输出信号是输入信号与参考信号的乘积。 （2-5） （2-6）式中:为被测信号频率；为随机噪声频率。通过相敏检波器后，输出 （2-7）加LPF后，其输出 （2-8）若比低通滤波器的截止带宽大，则后一项不通过LPF输出；若不是则输出。而在实际电路中，参考信号常采用的方波，即占空比为50%的方波，设，则参考信号经过傅里叶变换后为： （2-9）若信号为: （2-10）则PSD输出信号为： （2-11）经过低通滤波器的滤波作用，的差频项和和频项都被滤除，只剩下n=1的差频项为： （2-12）由于方波的傅里叶展开式中存在项，则以方波

32、作为参考信号的设计会使系统对输入信号中的奇次倍 项谐波也发生响应，即系统对 奇次倍项谐波的抑制能力有一定限度。因此在使用方波作为参考信号的系统中尤其需要在信号通道中设置带通滤波器或高通、低通两个滤波器以及调谐放大器，以便对混杂在被测信号中的干扰和噪声先进行一定程度的抑制，加强锁相放大器抑制噪声和干扰的能力11。13洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 锁相放大器的硬件设计3.1 硬件整体设计由于被检测的信号很微弱，而噪声和干扰却很强，所以被检测的信号应先进行放大和滤波处理，以滤除带通以外的噪声和干扰。参考信号是提供一个与输入信号同频的方波。相敏检波器的作用是对输入信号和参考信号进行乘法运算，从而

33、得到输入信号与参考信号的和 频 与 差 频信号。后续的低通滤波器的作用是滤除其和频分量，这时的等效噪声带宽很窄，可以极强地抑制输入噪声。 输入信号经过相敏检波器和低通滤波器后，将交流信号转变为直流信号，直流信号经直流放大器放大后，即可满足系统的增益要求12。锁相放大器流程图如图3-1所示。输入信号参考信号放大器带通滤波器相敏检波器低通滤波器移相器直流放大器图3-1 锁相放大器流程图3.2前置放大电路微弱光电信号采集检测的首要任务就是要把微弱光信号转换成微弱电信号，由于转换成的电信号比较微弱，则需要前置放大电路对信号进行放大，前置放大电路还必须具有在背景噪声很强的情况下提取出微弱有用信号的能力，

34、并且能够准确无误地对有用信号进行放大。因此，前置放大前路的设计对整个系统来说有着至关重要的作用。在本文中，采用OPA27芯片来设计前置放大电路。OPA27是超低噪声、高精度、单片运算放大器。OPA27芯片具有共模抑制能力强、稳定性好、电源噪声抑制能力高、低失调、超低噪声等优点，因此经过光电转换后的微弱电信号经耦合电容加在OPA27的同相输入端，经过低噪声放大处理后输出电信号13。前置放大电路如图3-2所示。图3-2 前置放大电路3.3移相电路锁相放大器的移相电路是对信号的相位进行调整，将参考信号与被测信号调整到同相状态，使同频信号获得最大增益输出。本设计采用的是数字锁相环芯片CD4046，CD

35、4046是通用的CMOS锁相环集成电路，它具有电源电压范围宽，输入阻抗高，动态功耗小等特点。CD4046芯片的工作频率可以高达1MHz，而它内部的VCO主要用来产生占空比为50%的方波。移相电路如图3-3所示。图3-3 移相电路3.4 相敏检波器电路图3-4 相敏检波器电路相敏检波器的电路如图3-4所示。本设计中的相敏检波器采用的是电子开关式 相敏检波器，由AD630芯片组成。AD630是高精度的平衡调制解调芯片，采用灵活的换流结构。3.5低通滤波器电路相敏检波器输出信号经低通滤波器得到所需直流信号，再经直流放大器输出满足设计所需要求。经由相敏检波器运算后的输出信号经U1A构成的低通滤波器实现

36、低通窄带滤波，滤除无用的信号后就可以得到设计需要的电压信号，滤波后经直流放大器放大达到设计增益要求就可以得到设计所需要的微弱信号。低通滤波器电路如图3-5所示。图3-5 低通滤波器电路17第4章 锁相放大器的软件设计4.1 虚拟仪器与LabVIEW介绍4.1.1虚拟仪器技术测量仪器发展至今，大体经历了模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器和智能仪器等四代历程。 由于计算机技术、微电子技术、网络技术、通信技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试方法、新的测试理论、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在很多方面已经突破了传统虚拟仪器的概念，电子测量仪器的作用和功能已经发生了质的变化

37、，其中计算机处于核心地位，测试系统和计算机软件技术更紧密地结合成一个有机整体，导致仪器的概念、设计观点和结构等也发生了突破性的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司在20世纪80年代第一个提出了虚拟仪器（Virtual Instrument）的概念，同时推出了用于虚拟仪器开发的工程软件Lab VIEW。在这里，虚拟仪器的功能主要是由计算机通过软件模拟来实现的。它不再是传统的由硬件电路进行数据分析处理与显示，而是采用功能强大的计算机来执行，所以其核心是计算机；当计算机配置好适当的I/O接口设备后，虚拟仪器就开始采用软件进行编程。这代表着只要按照测量原理，采用适当的信号分析与处理技术，编制某种测量功

38、能的软件就可构成该种功能的测量仪器14。虚拟仪器（Virtual Instrument）是基于计算机的仪器。计算机和虚拟仪器的密切结合是目前虚拟仪器发展的重要方向。大致来说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类智能化仪器的功能也更强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将虚拟仪器装入计算机。依托于通用的计算机硬件及操作系统，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器是基于通用计算机的测量、测试和控制系统，由于能充分利用计算机的软硬件资源，因此虚拟仪器具有结构灵活、功能强大和性价比高等特

39、点，可在很大范围内替代传统仪器。虚拟仪器通常具有一个或多个友好的虚拟面板，用户可通过虚拟面板很方便地进行操作。用户可对虚拟仪器的用途和功能进行定义、扩展和组合，从而更省、更快和更方便的解决测量、测试和自动化的应用问题。1虚拟仪器的硬件（1）计算机。它一般为一台PC机或者工作站，它是虚拟仪器硬件平台的核心。虚拟仪器使用的个人计算机中，总线和微处理器是最重要的因素。其中，微处理器的发展是最迅速的，它极大地提高了虚拟仪器的能力。80年代末使用当时制造的虚拟仪器频率分析仪 完成一个1024点的傅里叶变换需要一秒钟的时间；而在今天，同样的操作可以在一毫秒内就完成，速度比以前快一千倍。（2）I/O接口设备

40、。 I/O接口设备主要完成对被测信号的采集、放大和摸/数转换。不同的总线有其相应的I/O接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集卡/板（简称为数 采 卡/板，DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口总线仪器等。2虚拟仪器的软件拟仪器软件由应用软件和I/O接口仪器驱动程序两部分组成。 虚拟仪器的应用程序包含前面板 软件程序（实现虚拟面板功能）和流程图软件程序（定义测试功能）两方面功能的程序。 虚拟仪器的开发需要有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有文本式编程语言（C，Visual C + +，Visual Basic等）和图形化编程语言（LabVIEW，HPVEE等）两类。

41、这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了良好的开发环境与最大限度的方便条件。本文中，软件部分的设计采用的是LabVIEW虚拟仪器编程语言。虚拟仪器系统构成如图4-1所示：测控对象现场总线设备VXI仪器串口仪器GPIB仪器数据采集卡图像采集卡各种工业自动化软件测量与分析软件Lab VIEW /CVI HPVEE等wwwiwiWinwindowsswindow文本编程语言VC+ 、VB 等计算机图4-1 虚拟仪器体系结构虚拟仪器与传统仪器的具体区别如表4-1所示。虚拟仪器传统仪器3 技术更新周期短技术更新周期较长1 关键是软件关键是硬件6 系统开放灵活系统封闭固定5 用户定义仪器功能厂商定

42、义仪器功能4 价格低，并且可重用性与可配置性强价格高2 开发与维护费用低开发与维护费用高7 容易与其它设备连接不宜与其它设备连接表4-1 虚拟仪器与传统仪器的区别 在现代的工业生产和实验研究中，对电子仪器的要求越来越高，精度高、功能强、实时性好、测试速度快、自动化程度高，而且要有良好的人机界面。与传统仪器相比较，虚拟仪器具有性能高，扩展性强，开发时间少和无缝集成等优点15。4.1.2 LabVIEW简介LabVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的英文缩写，它是一种图形化的编程环境，使用图形化的符号来创建程序；传统文本编

43、程语言根据指令和语句的先后顺序决定程序执行顺序，Lab VIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序，它用图标表示函数，用连线表示数据流向。LabVIEW是一种图形化的编程语言，它广泛地被学术界、学工业界和研究实验室所接受，被认为是一个标准的数据采集和仪器控制软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。它具有十分强大的功能，包括数据采集、数值函数运算、信号处理、信号生成、输入/输出控制、图像的获取、处理和传输等等。与传统的编程语言相比，Lab VIEW使用图形语言编程，它的界面很直观，而且所使用的旋钮、开关、波形图等

44、控件对测试工程师们来说都很熟悉，因此它是一种比较直观的图形程序语言。用LabVIEW编程不需要很多的编程经验，只需要用很直接的方法建立前面板人机界面和方框图程序，便可以完成编程，使用户不被传统程序语言线性结构所困扰，这对于没有丰富编程经验的工程师们来说是一个很不错的选择。同时，LabVIEW的执行顺序是依方框图中数据的传递来决定的，并不像传统文字式编程语言必须逐行地执行，因此用户能设计出可同时执行多个程序的流程图16。 采用LabVIEW编程是将虚拟仪器化分为几个功能模块，用户可以采用图形化框图设计的方法以及交互式手段，来完成虚拟仪器的测量分析和逻辑功能设计。LabVIEW程序设计过程相似于人们设计仪器的思维过程，程序框图替代了平常所用的程序代码，减少了平常程序设计从框图到程序的麻烦。LabVIEW还为用户提供了函数扩展功能，从而可以调用C等传统编程语言的标准动态链接库和程序代码等。目前NI公司的Lab VIEW软件几乎实现了与VXI、GPIB、RS-485和RS-232等协议硬件及数据采集卡通信的全部功能，甚至Lab VIEW还内置了ActiveX、TCP/IP等软件标准的库函数17。用户利用NI公司提供的LabVIEW软件