光柵掃描型光譜儀的檢測系統(tǒng)及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光柵掃描型光譜儀的檢測系統(tǒng)及檢測方法，所述的檢測控制系統(tǒng)是由上位機經(jīng)微控制器單元、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元、鎖相環(huán)穩(wěn)速單元和切光器與測速電路連接，測速電路與鎖相環(huán)穩(wěn)速單元連接構(gòu)成。與現(xiàn)有光柵掃描型光譜儀相比沒有參考信號，沒有移相、相敏檢波和濾波電路；以DSP微控制器單元和鎖相環(huán)穩(wěn)速單元代替了模擬移相電路、同步積分電路、濾波倒相電路和參考信號整形電路。實現(xiàn)了數(shù)字化積分、濾波，減少了中間調(diào)制環(huán)節(jié)，簡化了電路、降低電路系統(tǒng)調(diào)試難度。檢測系統(tǒng)通過鎖相環(huán)穩(wěn)速電路保證采樣控制信號與檢測信號的倍頻關系，實現(xiàn)同步采樣，對檢測信號頻率無定值要求，電路簡單，調(diào)試環(huán)節(jié)少，降低了設備成本。
【專利說明】光柵掃描型光譜儀的檢測系統(tǒng)及檢測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于光譜信號檢測系統(tǒng)的數(shù)字鎖相放大器，尤其是光柵掃描型近 紅外光譜儀的信號檢測系統(tǒng)及檢測方法。
【背景技術】
[0002]近紅外光譜儀器作為一種常用的分析儀器，應用范圍廣泛。
[0003]近紅外光譜儀器由光源、切光器、分光系統(tǒng)、取樣器、探測器及轉(zhuǎn)換電路、檢測和控 制系統(tǒng)、電源等幾個部分組成。對于采用光柵掃描進行分光的近紅外光譜儀器，光源發(fā)出的 復合光，經(jīng)單色儀輸出各個波長的單色光、并由切光器機械調(diào)制為固定頻率的交流調(diào)幅光 信號，該信號經(jīng)取樣器與樣品作用后由探測器及轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為固定頻率的電信號。由于 傳感器、電路、雜散光等因素的影響，此電信號中必然參雜各種噪聲，因此檢測系統(tǒng)對此信 號進行濾波、放大、解調(diào)、數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理后，得到單色光對應光強(調(diào)幅光信號的幅值)的 數(shù)字量?？刂葡到y(tǒng)控制單色器掃描從而獲得所需波長范圍的光譜信號。
[0004]檢測系統(tǒng)對這種混入各種噪聲的固定頻率微弱信號(檢測信號)，通常采用鎖相放 大電路實現(xiàn)檢測:將檢測信號和參考信號(與被測信號同頻同相的方波信號)進行相敏檢 波、低通濾波、放大后得到同頻分量的幅值信號，從而有效地抑制噪聲和諧波。但電路復雜， 還需要對檢測信號的帶通濾波、放大、對參考信號的移相等環(huán)節(jié)，而且每個部分環(huán)節(jié)的信號 處理均依賴前一級輸出信號，輸出信號受各級電路影響，造成系統(tǒng)調(diào)試難度逐級加大，系統(tǒng) 的穩(wěn)定性、儀器的一致性很難保證。
[0005]現(xiàn)有的數(shù)字鎖相放大器，需要已知檢測信號的頻率模擬參考信號或輸入與檢測信 號同頻同相的方波或正弦信號作為參考信號，與檢測信號做乘法和積分運算、再進行低通 濾波處理，計算量大。若采用計算機進行處理，更需要采集電路與計算機間的數(shù)據(jù)傳輸，影 響光譜采集速度，無法滿足光譜掃描對速度的要求。
[0006]CN102045036A公開了 “一種數(shù)字鎖相放大器”，采用的是CORDIC算法產(chǎn)生參考信 號，通過乘法器進行檢波，IIR濾波器進行后級的低通濾波，這種鎖相放大器需要輸入方波 或正弦波信號作為參考信號，且要求信號的輸入頻率穩(wěn)定。
[0007]CN102916665A公開了一種“雙相數(shù)字式鎖相放大器及其數(shù)字域同步鎖相算法”， 實現(xiàn)自動跟蹤濾波、同步鎖相功能，可適應變化的信號輸入頻率，但同樣需要兩路相位差為 90°的方波信號作為參考信號。
[0008]吉林大學，劉志偉“便攜式近紅外光譜儀器數(shù)字解調(diào)采集系統(tǒng)研制”的論文中，提 出以一種在檢測信號頻率已知且穩(wěn)定的情況下，利用CPLD控制4N倍信號頻率采樣實現(xiàn)數(shù) 字化包絡解調(diào)，這種數(shù)字鎖相放大器需要已知檢測信號頻率，且頻率穩(wěn)定并可與整周期分 頻的CPLD控制頻率相吻合，否則易造成包絡信號提取誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于鎖相環(huán)倍頻同步采樣的數(shù)字鎖相放大器，采用數(shù)字正交檢波方法實現(xiàn)光譜信號光強的檢測。
[0010]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0011]光柵掃描型光譜儀的檢測系統(tǒng)，由光源經(jīng)切光器和分光系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)、傳感器模塊和取樣器與連接，光源經(jīng)穩(wěn)壓控制電路與檢測控制系統(tǒng)連接組成，所述的檢測控制系統(tǒng)是由上位機經(jīng)微控制器單元、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元、鎖相環(huán)穩(wěn)速單元分別連接切光器和測速電路，微控制器單元分別連接分光系統(tǒng)和穩(wěn)壓控制電路構(gòu)成。
[0012]所述的鎖相環(huán)穩(wěn)速單元是由時鐘晶振電路經(jīng)分頻電路、鎖相電路、濾波放大電路、 切光器、測速電路和倍頻電路與高速模塊轉(zhuǎn)換器單元連接構(gòu)成。
[0013]所述的倍頻電路通過反饋信號接口將測速電路輸出的頻率為f的反饋信號進行 4n倍頻，倍頻后其頻率為4n f，該信號一方面作為鎖相比較信號輸出給鎖相電路，一方面作為ADC采樣控制信號通過采樣控制信號接口輸出給高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元，采樣頻率4nf，與檢測信號的頻率f成4n倍數(shù)關系，實現(xiàn)倍頻同步采樣；
[0014]分頻電路將頻率為M的基準頻率信號分頻后作為鎖相基準信號，分頻系數(shù)為t，頻率為M/t ；
[0015]鎖相電路接收鎖相比較信號和鎖相基準信號，對二者鑒頻、鑒相鎖定后，二者頻率相等:4n f=M/t，輸出帶有高頻成分的直流控制信號；該信號通過濾波放大后控制切光器機械調(diào)制信號的頻率f。
[0016]光柵掃描型光譜儀檢測系統(tǒng)的檢測方法，是對光譜儀每個掃描波長點的采樣信號進行正交檢波處理，以正交計算實現(xiàn)相敏檢波中檢測信號與2個90°相差的參考信號的乘法和積分，以算數(shù)平均運算實現(xiàn)鎖相放大的低通濾波，以方波級數(shù)展開項系數(shù)校正實現(xiàn)光譜信號光強的檢測，包括以下步驟:
[0017]a、接受上位機指令,確定采樣周期m值；
[0018]b、讀取 ADC 采樣值 X (i);
[0019]C、計算每個采樣周期的4個1/4周期分量I (j):
[0020]
【權利要求】
1.一種光柵掃描型光譜儀的檢測系統(tǒng)，由光源經(jīng)切光器和分光系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)、傳感器模塊和取樣器與連接，光源經(jīng)穩(wěn)壓控制電路與檢測控制系統(tǒng)連接組成，其特征在于，檢測控制系統(tǒng)是由上位機經(jīng)微控制器單元、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元、鎖相環(huán)穩(wěn)速單元分別連接切光器和測速電路，微控制器單元分別連接分光系統(tǒng)和穩(wěn)壓控制電路構(gòu)成。
2.按照權利要求1所述的光柵掃描型光譜儀的檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的鎖相環(huán)穩(wěn)速單元是由時鐘晶振電路經(jīng)分頻電路、鎖相電路、濾波放大電路、切光器、測速電路和倍頻電路與高速模塊轉(zhuǎn)換器單元連接構(gòu)成。
3.按照權利要求2所述的光柵掃描型光譜儀檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的倍頻電路通過反饋信號接口將測速電路輸出的頻率為f的反饋信號進行4n倍頻，倍頻后其頻率為4n f,該信號一方面作為鎖相比較信號輸出給鎖相電路，一方面作為ADC采樣控制信號通過采樣控制信號接口輸出給高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元，采樣頻率4nf，與檢測信號的頻率f?成4n倍數(shù)關系，實現(xiàn)倍頻同步采樣；分頻電路將頻率為M的基準頻率信號分頻后作為鎖相基準信號，分頻系數(shù)為t，頻率為M/t ；鎖相電路接收鎖相比較信號和鎖相基準信號，對二者鑒頻、鑒相鎖定后，二者頻率相等:4n f=M/t，輸出帶有高頻成分的直流控制信號；該信號通過濾波放大后控制切光器機械調(diào)制信號的頻率f。
4.按照權利要求1所述的光柵掃描型光譜儀檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于，對光譜儀每個掃描波長點的采樣信號進行正交檢波處理，以正交計算實現(xiàn)相敏檢波中檢測信號與2個90°相差的參考信號的乘法和積分，以算數(shù)平均運算實現(xiàn)鎖相放大的低通濾波，以方波級數(shù)展開項系數(shù)校正實現(xiàn)光譜信號光強的檢測，包括以下步驟:a、接受上位機指令，確定采樣周期m值；b、讀取ADC采樣值X⑴；C、計算每個采樣周期的4個1/4周期分量I (j):
【文檔編號】G01J3/28GK103604500SQ201310636265
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月30日 優(yōu)先權日:2013年11月30日
【發(fā)明者】王智宏, 劉杰, 段清明, 王婧茹, 滕飛, 張福東 申請人:吉林大學