1引言
    數(shù)字鎖定放大器相比模擬鎖定放大器具有穩(wěn)定、精度高等特點[1]，在頻率掃描中有明顯的優(yōu)點?；赥DLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技術采用頻率調制技術向激光二極管注入正弦波電流進行頻率調制，用調制頻率的倍頻信號作為參考信號，用鎖定放大器鎖定所關心的二次諧波信號，采用DSP設計的鎖定放大器用于二次諧波檢測使測量系統(tǒng)有極高的靈敏度、精確的分辨率以和較高的動態(tài)響應速度。
2數(shù)字鎖定放大器原理

      數(shù)字鎖定放大器DLIA的原理框圖及算法如圖1所示。     

圖1系統(tǒng)框圖

由圖1即可運用DSP數(shù)字鎖定放大器的軟件設計，整個系統(tǒng)的軟件結構流程如圖2所示：

圖2 數(shù)字鎖放軟件流程

鎖定算法程序如下：

Void main()

{

………..                //系統(tǒng)初始化，變量定義及初始化，略

//產生頻率為f Hz（此處為激光信號二次諧波頻率）的參考正弦和參考余弦.

RefWave(f);          

       Sigfilt();                //運用TI提供的濾波器庫濾除噪聲

       Correlate();            //相關運算

       lpf();

       AmpCalc();

       PhaCalc();

        ……….                 //后續(xù)處理：顯示輸出、反饋控制量等

}

其中生成參考信號和相關計算子程序如下：

void RefWave(f)

{

        for(i=0; i<f; i++)

        {

               x = _IQ(PI*i/10);          //據本文公式(2)產生參考，N的值為20

               sinx[i] = _IQsin(x);              //采用Q格式運算，因為2812為定點DSP

               cosx[i] = _IQcos(x);

        }

}

void Correlate()

{

for(i=0; i<n;  i++)                      //n為積分時間的樣點數(shù)

{    

//進行乘加運算，_IQtoIQ20的作用為防溢出

temp1 += _IQ20mpy(_IQtoIQ20(input[i]), _IQtoIQ20(sinx[i]));

               temp2 += _IQ20mpy(_IQtoIQ20(input[i]), _IQtoIQ20(cosx[i]));

        }

M = _IQ20(m);                           //信號的M個采樣點

       temp1 = _IQ20div(temp1, M);      //公式（3）

       Rxrs = _IQ20toIQ(temp1);           //正弦互相關結果

       temp2 = _IQ20div(temp2, M);

       Rxrc = _IQ20toIQ(temp2);          //余弦互相關結果

}

3數(shù)字鎖定放大器在TDLAS測量系統(tǒng)中的應用

圖3是利用激光測量汽車廢氣濃度的系統(tǒng)框圖。

圖3 基于TDLAS二次諧波檢測氣體濃度系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用TDLAS原理，對汽車排放尾中的二氧化碳濃度進行測量。TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）測量系統(tǒng)的激光光源由商用的可調諧激光二極管產生，采用的是基準波長為1583.69nm、輸出波長可調的NLK1556STG蝶形激光二極管，其輸出功率和波長由激光控制器LDC-3724B決定。輸出光束經過分光比例為50/50的分光器后變?yōu)閮墒?，一束直接進入到自平衡接收器，一束經瞄準器對準，穿過樣本氣室后由光纖接收進入到自平衡接收器，自平衡接收器采用NEW FOCUS公司的Model 2017，自平衡接收器的共模抑制比能達到50dB，可以消除兩路光束的噪聲，同時也可以降低對于鎖定放大器的動態(tài)范圍和線性程度的要求。自平衡接收器的輸出作為鎖定放大器的輸入，鎖放采用本文前面所述的數(shù)字設計方法，首先由ADC采樣自平衡接收器輸出的模擬信號，然后在TMS320F2812內部用鎖定核心算法，鎖定被測信號的二次諧波信號分量，最后依據Lambert-Beer定律^[2]計算測量結果并輸出。在對信號進行處理的同時利用DSP產生30KHz的正弦信號和50Hz的斜坡信號作為激光二極管的調制信號。

4實驗結果

借助于TMS320F2812強大的數(shù)據處理能力，運用相關算法和濾波算法^[3]，數(shù)字鎖定放大器對于微弱信號的檢測能力相較于傳統(tǒng)的模擬鎖定放大器得到了極大的提高，其噪聲抑制能力Q值能達到10⁶。本文設計的數(shù)字鎖定放大器應用在基于TDLAS二次諧波檢測氣體濃度系統(tǒng)中，其檢測精度能達到10ppb級。在應用于汽車尾氣測量系統(tǒng)時，能夠實時動態(tài)的對氣體濃度進行檢測并得到結果。運用DSP設計的數(shù)字鎖定放大器對于汽車尾氣檢測系統(tǒng)中微弱的激光信號，，對于汽車廢氣的動態(tài)排放規(guī)律研究新的控制策略有重要意義。