[发明专利]光栅扫描型光谱仪的检测系统及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光谱信号检测系统的数字锁相放大器，尤其是光栅扫描型近红外光谱仪的信号检测系统及检测方法。

背景技术

近红外光谱仪器作为一种常用的分析仪器，应用范围广泛。

近红外光谱仪器由光源、切光器、分光系统、取样器、探测器及转换电路、检测和控制系统、电源等几个部分组成。对于采用光栅扫描进行分光的近红外光谱仪器，光源发出的复合光，经单色仪输出各个波长的单色光、并由切光器机械调制为固定频率的交流调幅光信号，该信号经取样器与样品作用后由探测器及转换电路转换为固定频率的电信号。由于传感器、电路、杂散光等因素的影响，此电信号中必然参杂各种噪声，因此检测系统对此信号进行滤波、放大、解调、数模转换等处理后，得到单色光对应光强（调幅光信号的幅值）的数字量。控制系统控制单色器扫描从而获得所需波长范围的光谱信号。

检测系统对这种混入各种噪声的固定频率微弱信号（检测信号），通常采用锁相放大电路实现检测：将检测信号和参考信号（与被测信号同频同相的方波信号）进行相敏检波、低通滤波、放大后得到同频分量的幅值信号，从而有效地抑制噪声和谐波。但电路复杂，还需要对检测信号的带通滤波、放大、对参考信号的移相等环节，而且每个部分环节的信号处理均依赖前一级输出信号，输出信号受各级电路影响，造成系统调试难度逐级加大，系统的稳定性、仪器的一致性很难保证。

现有的数字锁相放大器，需要已知检测信号的频率模拟参考信号或输入与检测信号同频同相的方波或正弦信号作为参考信号，与检测信号做乘法和积分运算、再进行低通滤波处理，计算量大。若采用计算机进行处理，更需要采集电路与计算机间的数据传输，影响光谱采集速度，无法满足光谱扫描对速度的要求。

CN102045036A公开了“一种数字锁相放大器”，采用的是CORDIC算法产生参考信号，通过乘法器进行检波，IIR滤波器进行后级的低通滤波，这种锁相放大器需要输入方波或正弦波信号作为参考信号，且要求信号的输入频率稳定。

CN102916665A公开了一种“双相数字式锁相放大器及其数字域同步锁相算法”，实现自动跟踪滤波、同步锁相功能，可适应变化的信号输入频率，但同样需要两路相位差为90°的方波信号作为参考信号。

吉林大学，刘志伟“便携式近红外光谱仪器数字解调采集系统研制”的论文中，提出以一种在检测信号频率已知且稳定的情况下，利用CPLD控制4N倍信号频率采样实现数字化包络解调，这种数字锁相放大器需要已知检测信号频率，且频率稳定并可与整周期分频的CPLD控制频率相吻合，否则易造成包络信号提取误差。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种基于锁相环倍频同步采样的数字锁相放大器，采用数字正交检波方法实现光谱信号光强的检测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

光栅扫描型光谱仪的检测系统，由光源经切光器和分光系统、检测控制系统、传感器模块和取样器与连接，光源经稳压控制电路与检测控制系统连接组成，所述的检测控制系统是由上位机经微控制器单元、高速模数转换器单元、锁相环稳速单元分别连接切光器和测速电路，微控制器单元分别连接分光系统和稳压控制电路构成。

所述的锁相环稳速单元是由时钟晶振电路经分频电路、锁相电路、滤波放大电路、切光器、测速电路和倍频电路与高速模块转换器单元连接构成。

所述的倍频电路通过反馈信号接口将测速电路输出的频率为f的反馈信号进行4n倍频，倍频后其频率为4n f，该信号一方面作为锁相比较信号输出给锁相电路，一方面作为ADC采样控制信号通过采样控制信号接口输出给高速模数转换器单元，采样频率4nf，与检测信号的频率f成4n倍数关系，实现倍频同步采样；

分频电路将频率为M的基准频率信号分频后作为锁相基准信号，分频系数为t，频率为M/t；

锁相电路接收锁相比较信号和锁相基准信号，对二者鉴频、鉴相锁定后，二者频率相等：4n f=M/t，输出带有高频成分的直流控制信号；该信号通过滤波放大后控制切光器机械调制信号的频率f。

光栅扫描型光谱仪检测系统的检测方法，是对光谱仪每个扫描波长点的采样信号进行正交检波处理，以正交计算实现相敏检波中检测信号与2个90°相差的参考信号的乘法和积分，以算数平均运算实现锁相放大的低通滤波，以方波级数展开项系数校正实现光谱信号光强的检测，包括以下步骤：

a、接受上位机指令，确定采样周期m值；

b、读取ADC采样值x(i)；

c、计算每个采样周期的4个1/4周期分量I(j)：