[发明专利]一种消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法

说明书

本发明涉及一种消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法，是针对光谱仪的机械调制信号存在频率波动，引起锁相放大电路的参考信号与被测信号不同频同相，进而引起光谱检测误差的问题，提出基于信号同源的消除光谱仪锁相放大电路频率误差的方法：包括调测系统延时周期数、调频率同步、调偏心、调同相。通过调整参考信号机械滞后，检测信号的移相延时，使参考信号机械延时与检测信号的电路延时相等，则锁相放大电路的两路输入信号为调制器同一位置的调制信号，即同源信号，从而消除调制频率波动引起的光谱检测误差。

技术领域

本发明涉及一种光栅扫描型光谱仪，尤其是采用有频率波动的机械调制及锁相放大电路进行解调时，存在信号调制频率误差的光谱仪。

背景技术

光谱仪器是一种应用广泛的分析仪器，其由光源、调制器、单色仪、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。采用光栅扫描进行分光的光谱仪器，其光源发出的复合光，经过调制器机械调制为固定频率的调幅光信号，该信号经单色仪后输出各个波长的单色光、通过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。检测系统对此信号进行滤波、放大、解调、模数转换等处理后，得到单色光对应光强(调幅光信号的幅值)的数字量。控制系统控制单色仪扫描从而获得所需波长范围的光谱信号。

对于幅度调制信号的解调，检测系统通常采用锁相放大电路实现：将检测信号和参考信号(与被测信号同频同相的方波信号)进行同步积分、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。

在同步积分之前，两路信号的路径不同：检测信号在电路中经过带通滤波、放大和移相，参考信号经过整形。其中移相电路的作用是增加检测信号的延时，使二者同相。

光谱仪的信号调制采用机械调试，调制器由直流电机和与其同轴的调制盘组成。调制盘有均布的通光孔，在电机的带动下进行光的调制。当电机稳速转动时，调制信号的频率f为一定值。由于调制器的制造和安装误差，调制信号的频率存在周期波动性误差Δf，波动的周期是调制盘的通光孔个数。调制信号的频率波动将引起光谱仪锁相放大的检测信号和参考信号无法满足同频同相的要求，使光谱信号测量产生误差，此为频率误差。

对于调制信号频率波动引起的误差，人们提出采用数字解调的方法解决，如：

CN102403969A公开了“一种数字锁相放大器和数字锁相控制方法”，采用设置采样频率为被测信号频率4的整周期倍的方法，用加减法运算替代了正交解调中的乘法运算。此种方法需要乘方开方运算，要求被测信号频率稳定且已知，同时要求采样频率为被测信号频率的特定倍数。

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，可适应信号变化的频率，但要求作为参考信号的相位差为90°的两路方波信号与检测信号同频，而且进行三路信号的采集，送入PC机，在由PC机实现锁相算法，不能满足光谱扫描对实时采样的要求。

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，提出利用CPLD分频产生4N倍信号频率的采样控制信号进行采样，并进行正交运算实现双相数字锁相放大。但需要检测信号频率已知且稳定，并与CPLD分频产生的控制信号频率成4N倍的关系，否则检测误差大。

CN103604500公开了“光栅扫描型光谱仪的检测系统及检测方法”，检测系统以DSP微控制器的数字化积分和平均滤波算法实现数字锁相放大。它以锁相环稳速电路保证采样控制信号与检测信号的倍频关系，实现同步采样，但存在稳速误差产生的信号和采样频率的波动，进而引起检测信号测量数字量的噪声较大。