基于MATLAB与锁相放大器的测试系统

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锁相放大技术是一种可在极强噪声环境中提取特定频率信号幅值和相位的技术。锁相放大技术基于相敏检测原理,以与待测信号具有相同频率和固定相位关系的信号作为参考信号,测量得到相对于参考信号的待测信号的幅值和相位。作为仪器设备的锁相放大器功能丰富,被广泛应用于传感器信号提取、材料物理性质测试、生物信号检测等领域。但在实际应用中存在参数设置繁琐、数据可视化程度低、复杂测试中时间常数和灵敏度设置不精确等诸多问题。针对测试中需要手动调整多重参数、自动化程度低、数据处理不便等问题,采用MATLAB设计了计算机控制的锁相放大器测试系统。主要工作如下:(1)简要介绍了SR830型锁相放大器的功能结构、信号检测原理以及关键参数。为了更好的设计系统,首先分析了可能影响系统的噪声源。然后设计了计算机控制的交流电流源与锁相放大器的测试系统。计算机通过GPIB-USB-HS接口卡与交流电流源及锁相放大器通讯互联。使用MATLAB程序实现了对交流电流源和锁相放大器的控制、数据的读出与图形化。(2)基于MATLAB APP Designer平台设计了专用APP,主要从界面控件层、功能层、代码层对设计进行实现。采用模块化布局将多种控件布置于APP主界面与参数设置界面,通过设计各模块的功能来实现常用的测控操作。利用锁相放大器的状态字节来监测系统的运行状态,并设计自动参数获取功能,解决了锁相放大器参数设置繁琐、不能适应跨量程测试的问题。同时,结合数据提取与实时测试实现了多参数数据的可视化对比,提高了系统的可视化程度。(3)使用APP来控制系统对实验室所研发传感器元件的电压输出信号进行测试。首先,分析了不同参数设置下锁相放大器的锁定效果,以确定锁相放大器的默认参数设置和不同测试需求下的精确参数设置;然后,采集传感器元件在交流激励驱动下的电压信号,分析了其输出中一次谐波和三次谐波分量随激励的变化规律;最后,结合APP的常用测试功能,对传感器元件进行了特性表征,获得了其电压信号与风速的关系。研究的创新在于结合MATLAB设计了一种锁相放大器测试系统,并将其应用于传感器元件在交流激励下的特性表征。结果表明,系统能够实现对锁相放大器的高效控制,能够以精确的参数设置和多参数的数据可视化功能更好的提取有用信号,实现了功能复杂的测试。可结合待测对象的特点对测试系统加以修改。具有界面友好、易于使用、扩展性好等优点,从而具有良好的实际应用价值。
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