基于FPGA的锁相放大器在多组分气体检测中的应用

【前言】基于FPGA的锁相放大器在多组分气体检测中的应用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。从图1可以看出，光声腔出来的微弱光声信号能否成功的检测出来，最核心的器件是锁相放大器。基于FPGA的数字锁相放大器采用数字相关解调器取代模拟器件，数字相关解调器在动态范围、线性失真、噪声等方面的性能优点已经远大于模拟器件，对于零点漂移的问题，使用数字器...

摘要：该文介绍了基于光声光谱技术的多组分气体检测的基本原理，设计了基于fpga的数字双相锁相放大器，完成了低通滤波器和DDS信号发生模块的仿真设计并应用于光声光谱多组分气体检测系统。通过对不同浓度的[C2H2]， [CO2]，[CO]混合气体的检测结果表明，该锁相放大器可以有效提取微弱的光声信号，检测出[C2H2]， [CO2]，[CO]这三种气体的浓度，系统检测相对误差小与5%，精度好且具有一定的稳定性，能广泛应用于气体检测中。

关键词：光声光谱；FPGA；多组分；锁相放大器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）34-8184-02

随着电力系统的不断发展和用电需求的日益增长，大型变压器设备容量不断扩大，事故率也就随之增大。长期运行或发生故障的油侵式电力变压器绝缘油和绝缘材料会分解出一些气体，如[C2H2]， [CO2]，和[CO]等[1]。研究表明，变压器油中溶解气体是表征运行电力变压器早期潜伏性故障的重要特征量之一[1-2]，油中溶解气体的在线监测技术在变压器运行状态的在线评估及剩余寿命的预测领域具有良好的应用前景。变压器油中溶解气体在线监测主要方法是气相色谱法、传感器法、傅立叶红外光谱法等[3]，但在长期使用中，这些方法存在取样复杂、干扰严重、长期稳定性差、检测气体组分不够齐全等缺点。

光声光谱技术作为一种无背景测量技术[4-6]，是利用光声效应对气体浓度进行检测。信号仅仅由被吸收的光能量产生，具有灵敏度高、响应快和检测范围宽等特点，特别适合多组分气体弱吸收测量。其基本实验装置及原理[7]如图1所示。许多文献[1-3]已经详细阐述了光声光谱工作原理，这里不再详细说明。

从图1可以看出，光声腔出来的微弱光声信号能否成功的检测出来，最核心的器件是锁相放大器。基于FPGA的数字锁相放大器采用数字相关解调器取代模拟器件，数字相关解调器在动态范围、线性失真、噪声等方面的性能优点已经远大于模拟器件，对于零点漂移的问题，使用数字器件几乎可以完全消除。并且数字锁相放大器具有很好的灵活性，可以对制作出的不同功能模块进行灵活的选择、连接和控制，从而实现对锁定放大器灵敏度、频率的动态范围、及显示方式等功能的灵活改变。

1 系统原理

本文设计了一种数字双相锁相放大器，用于多组分气体的光声信号检测，它不需要进行相位调整就可以同时检测有用信号的幅值和相位提高了可操作性[8]，其原理框图如图2所示：

2 基于FPGA平台的实现

2.1 硬件设计

图3是基于FPGA的硬件图，由图可知，在FPGA内部主要完成的工作有两个，分别是DDS信号的合成和FIR滤波器的实现。

FPGA选用的是Altera公司的Cyclone II系列的Ep2c8Q208c8器件，它具有丰富的DSP运算单元和RAM 存储器资源。包含8356个逻辑资源，18个乘法器，36个Block RAM，每个块为4K的双口RAM形式。这些DSP运算单元和存储器硬件资源能够满足数字锁相放大器的设计要求，完成对数据的高速采集和处理。

数字锁相系统的核心数据处理模块是相敏相关器，它的实质是乘法器。然而低通滤波器在数字锁相系统中占有至关重要的地位。被测信号与参考信号相乘以后产生差频项与和频项，差频项为低频直流信号，包含被测信号的幅值信息，是我们所需要的；和频项为高频交流信号，是需要滤除的。因此需要将相乘之后的信号经过低通滤波器，滤去高频成分，保留被测信号幅值信息。其中低通滤波器的性能直接决定了检测的准确度，与系统的信噪比等。

2.2 FPGA的内部实现

FPGA内部有两个功能模块，其中数字波形发生器用的是常规的查表法，将一个周期的波形值存储在ROM里面。数字锁相放大模块就是要实现图2中的双相数字锁相放大器。其中乘法器和开方运算采用的是Altera 的IP核实现的[9]，只需简单设置参数。

2.2.1 参考正余弦信号

采用DDS技术可以合成任意波形、频率与相位的信号。如果要改变输出信号的波形，只需要将相应的波形数据储存在ROM中即可，当然在提高DDS合成信号精度与分辨率的同时，所消耗的FPGA资源也会随之增加，所以在本系统设计中考虑到实际情况选用了10位分辨率。在Modelsim软件中对DDS波形发生模块仿真，预先设定频率控制字K即可控制输出信号的频率，系统中正余弦信号发生模块的参考时钟频率为[FC]=500KHz，相位累加器位宽19，因此频率分辨率为0.95Hz，也就是说频率控制字增加1，相应输出频率增加0.95Hz，图4显示了两路正交信号仿真结果：

2.2.2 FIR 低通滤波器

锁相检测系统中的载波频率一般都要在数千赫兹以上，而信号频率只有几十赫兹甚至更低。如果用一个FIR滤波器直接实现截止频率几十赫兹的低通滤波器，将会导致FIR滤波器的的阶数非常高。

设计中用到了40阶的FIR数字低通滤波器，利用Matlab内的滤波器设计工具FDATool（Filter Design &Analysis Tool），输入滤波器各项参数，生成满足要求的滤波器抽头系数[10]，再将抽头系数整数化便于在FPGA内运算处理，实现直接型的FIR数字滤波器。对滤波器的仿真是在Modelsim中实现的。采用DDS技术模拟产生高频信号使其通过低通过滤波器，仿真图如图5所示：

3 在多组分气体检测中的应用

通过对三种气体近红外的吸收谱的分析，依据尽量选择三种气体互相独立的谱线以减少交叉干扰的原则，我们研究了HITRAN数据库中这几种气体分子的近红外吸收谱线，分别选择了1529.18nm检测[C2H2]，选择1565.61nm检测[CO]，选择1572.26nm检测[CO2]。选择中心波长为1654nm的DFB激光器作为光源，半导体激光二极管控制器LDC501用于电流驱动DFB激光器和对激光器进行温度控制，调节光源波长使其分时输出中心波长为1529.17nm，1565.61nm和1572.26nm的激光。调制后的光声信号由麦克风探测后送至数字锁相放大器，在数字锁相放大器内部完成数字解调并滤波，输入到处理器进行后续的浓度计算。

实验分别采用浓度分别为49ppm（[C2H2]）、346ppm（[CO2]）、100ppm（[CO]）和100ppm（[C2H2]）、490ppm（[CO2]）、250ppm（[CO]）以及248ppm（[C2H2]）、700ppm（[CO2]）、500ppm（[CO]）气体对采用FPGA锁相放大器的多组分气体检测系统（满量程10%）进行了测试，采用多次测试得出实际的测量范围，分别测试了3组数据，计算出仪器的示值误差。

4 结论

本文设计了一种基于FPGA 的数字双相锁相放大器，并将其应用在变压器绝缘油中多组分气体检测中，通过对三种不同浓度混合气体的测试，系统测量相对误差小于5%，数字锁相放大器具有较好的稳定性，利用FPGA设计灵活、适应性强、集成度高的特点，通过软件编程可以方便地将其应用在其他微弱信号检测领域，为微弱信号的检测提供了参考。

参考文献：

[1] 许坤，周建华，茹秋实，等.变压器油中溶解气体在线监测技术发展与展望[J].高压电技术，2005，31（8）：30-32.

[2] 刘先勇，钟秋海，周方洁.从变压器中分离故障特征气体的研究[J].电力系统自动化，2005，29（2）：56-60.

[3] Jyrki Kauppinen， Klaus Wilcken， Ismo Kauppinen， etc. High sensitivity in gas analysis with photoacoustic detection[J]. Microchemical Journal， 2004，76（1-2）：151-159.

[4] 张望.光声光谱微量气体检测技术及其应用研究[D].大连：大连理工大学，2010：125-131.

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[6] 张川，王辅.光声光谱技术在变压器油气分析中的运用[J].高电压技术，2005，31（2）：84-86.

[7] 王建伟.近红外激光光声光谱多组分气体检测技术及其医学应用[D].大连：大连理工大学，2012：20-25，

[8] 施国勇.数字信号处理FPGA电路设计[M].北京：高等教育出版社，2009：48-79.

[9] 吴明华，郑刚，江斌.一种新的应用于锁相放大器的数字相关电路结构设计[J].计算机测量与控制，2010，18（12）：2824-2826.

[10] 凌忠兴.嵌入式系统中数字滤波的算法及软件流程[J].电测与仪表，2007（1）：58-61.