● 摘要
谐振式传感器具有多种信号检测方法，快速互相关检测方法可以在不损失信噪比的情况下，大大缩短测量时间。本论文采用基于扫频技术的正交矢量型锁相放大器检测方案，再配合以曲线拟合数学算法，可以有效比较快速互相关检测方法和传统微弱信号检测方法的优劣。本课题研究了正交矢量型数字锁相放大器的FPGA实现方案，并且对快速互相关方法进行了实验验证。本论文的主要工作内容包括以下几部分：
1．分析了微弱信号快速互相关检测方法原理，提出了一种利用正交矢量型数字锁相放大器实现传统微弱信号检测，并与快速互相关检测法进行对比实验的验证方法。
2．针对该实验验证方法，设计了基于FPGA的正交矢量型数字锁相放大器，并利用Modelsim软件进行了详细的仿真验证。
3．采用建立电路模型及Multisim软件仿真相结合的方法，对前置放大、带通滤波、稳压电源和电压跟随器电路进行了详细的理论分析和仿真验证，研究结果表明：所设计的放大电路和滤波电路的可以较好地满足谐振式传感器微弱信号检测要求，能够成功地对信噪比为-20dB，幅值为10mV，有用信号频率为50kHz的正弦波信号进行放大滤波。
4．完成实验整体方案设计和实验平台的搭建。使用Labview软件搭建混杂白噪声和1/f噪声的微弱信号源，硬件实现A/D、D/A和FPGA设计及其外围电路的设计，实现了锁相放大器的鉴相、滤波和快速互相关方法的曲线拟合算法。测试结果表明，所设计的锁相放大器输出幅度达到498mV，快速互相关检测方法曲线拟合输出结果为493.1mV。快速互相关方法曲线拟合结果与数字锁相放大器输出的相对误差为0.98%，但检测所需时间小于传统的锁相放大方法。实验验证了快速互相关检测方法对微弱信号检测的合理性。