趙星+李小霞+李勇

摘要：該文介紹了基于光聲光譜技術(shù)的多組分氣體檢測的基本原理，設(shè)計了基于FPGA的數(shù)字雙相鎖相放大器，完成了低通濾波器和DDS信號發(fā)生模塊的仿真設(shè)計并應用于光聲光譜多組分氣體檢測系統(tǒng)。通過對不同濃度的[C2H2]， [CO2]，[CO]混合氣體的檢測結(jié)果表明，該鎖相放大器可以有效提取微弱的光聲信號，檢測出[C2H2]， [CO2]，[CO]這三種氣體的濃度，系統(tǒng)檢測相對誤差小與5%，精度好且具有一定的穩(wěn)定性，能廣泛應用于氣體檢測中。

關(guān)鍵詞：光聲光譜；FPGA；多組分；鎖相放大器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8184-02

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和用電需求的日益增長，大型變壓器設(shè)備容量不斷擴大，事故率也就隨之增大。長期運行或發(fā)生故障的油侵式電力變壓器絕緣油和絕緣材料會分解出一些氣體，如[C2H2]， [CO2]，和[CO]等[1]。研究表明，變壓器油中溶解氣體是表征運行電力變壓器早期潛伏性故障的重要特征量之一[1-2]，油中溶解氣體的在線監(jiān)測技術(shù)在變壓器運行狀態(tài)的在線評估及剩余壽命的預測領(lǐng)域具有良好的應用前景。變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測主要方法是氣相色譜法、傳感器法、傅立葉紅外光譜法等[3]，但在長期使用中，這些方法存在取樣復雜、干擾嚴重、長期穩(wěn)定性差、檢測氣體組分不夠齊全等缺點。

光聲光譜技術(shù)作為一種無背景測量技術(shù)[4-6]，是利用光聲效應對氣體濃度進行檢測。信號僅僅由被吸收的光能量產(chǎn)生，具有靈敏度高、響應快和檢測范圍寬等特點，特別適合多組分氣體弱吸收測量。其基本實驗裝置及原理[7]如圖1所示。許多文獻[1-3]已經(jīng)詳細闡述了光聲光譜工作原理，這里不再詳細說明。

從圖1可以看出，光聲腔出來的微弱光聲信號能否成功的檢測出來，最核心的器件是鎖相放大器。基于FPGA的數(shù)字鎖相放大器采用數(shù)字相關(guān)解調(diào)器取代模擬器件，數(shù)字相關(guān)解調(diào)器在動態(tài)范圍、線性失真、噪聲等方面的性能優(yōu)點已經(jīng)遠大于模擬器件，對于零點漂移的問題，使用數(shù)字器件幾乎可以完全消除。并且數(shù)字鎖相放大器具有很好的靈活性，可以對制作出的不同功能模塊進行靈活的選擇、連接和控制，從而實現(xiàn)對鎖定放大器靈敏度、頻率的動態(tài)范圍、及顯示方式等功能的靈活改變。

1 系統(tǒng)原理

本文設(shè)計了一種數(shù)字雙相鎖相放大器，用于多組分氣體的光聲信號檢測，它不需要進行相位調(diào)整就可以同時檢測有用信號的幅值和相位提高了可操作性[8]，其原理框圖如圖2所示：

2 基于FPGA平臺的實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

圖3是基于FPGA的硬件圖，由圖可知，在FPGA內(nèi)部主要完成的工作有兩個，分別是DDS信號的合成和FIR濾波器的實現(xiàn)。

FPGA選用的是Altera公司的Cyclone II系列的Ep2c8Q208c8器件，它具有豐富的DSP運算單元和RAM 存儲器資源。包含8356個邏輯資源，18個乘法器，36個Block RAM，每個塊為4K的雙口RAM形式。這些DSP運算單元和存儲器硬件資源能夠滿足數(shù)字鎖相放大器的設(shè)計要求，完成對數(shù)據(jù)的高速采集和處理。

數(shù)字鎖相系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)處理模塊是相敏相關(guān)器，它的實質(zhì)是乘法器。然而低通濾波器在數(shù)字鎖相系統(tǒng)中占有至關(guān)重要的地位。被測信號與參考信號相乘以后產(chǎn)生差頻項與和頻項，差頻項為低頻直流信號，包含被測信號的幅值信息，是我們所需要的；和頻項為高頻交流信號，是需要濾除的。因此需要將相乘之后的信號經(jīng)過低通濾波器，濾去高頻成分，保留被測信號幅值信息。其中低通濾波器的性能直接決定了檢測的準確度，與系統(tǒng)的信噪比等。

2.2 FPGA的內(nèi)部實現(xiàn)

FPGA內(nèi)部有兩個功能模塊，其中數(shù)字波形發(fā)生器用的是常規(guī)的查表法，將一個周期的波形值存儲在ROM里面。數(shù)字鎖相放大模塊就是要實現(xiàn)圖2中的雙相數(shù)字鎖相放大器。其中乘法器和開方運算采用的是Altera 的IP核實現(xiàn)的[9]，只需簡單設(shè)置參數(shù)。

2.2.1 參考正余弦信號

采用DDS技術(shù)可以合成任意波形、頻率與相位的信號。如果要改變輸出信號的波形，只需要將相應的波形數(shù)據(jù)儲存在ROM中即可，當然在提高DDS合成信號精度與分辨率的同時，所消耗的FPGA資源也會隨之增加，所以在本系統(tǒng)設(shè)計中考慮到實際情況選用了10位分辨率。在Modelsim軟件中對DDS波形發(fā)生模塊仿真，預先設(shè)定頻率控制字K即可控制輸出信號的頻率，系統(tǒng)中正余弦信號發(fā)生模塊的參考時鐘頻率為[FC]=500KHz，相位累加器位寬19，因此頻率分辨率為0.95Hz，也就是說頻率控制字增加1，相應輸出頻率增加0.95Hz，圖4顯示了兩路正交信號仿真結(jié)果：

2.2.2 FIR 低通濾波器

鎖相檢測系統(tǒng)中的載波頻率一般都要在數(shù)千赫茲以上，而信號頻率只有幾十赫茲甚至更低。如果用一個FIR濾波器直接實現(xiàn)截止頻率幾十赫茲的低通濾波器，將會導致FIR濾波器的的階數(shù)非常高。

設(shè)計中用到了40階的FIR數(shù)字低通濾波器，利用Matlab內(nèi)的濾波器設(shè)計工具FDATool（Filter Design &Analysis Tool），輸入濾波器各項參數(shù)，生成滿足要求的濾波器抽頭系數(shù)[10]，再將抽頭系數(shù)整數(shù)化便于在FPGA內(nèi)運算處理，實現(xiàn)直接型的FIR數(shù)字濾波器。對濾波器的仿真是在Modelsim中實現(xiàn)的。采用DDS技術(shù)模擬產(chǎn)生高頻信號使其通過低通過濾波器，仿真圖如圖5所示：

3 在多組分氣體檢測中的應用

通過對三種氣體近紅外的吸收譜的分析，依據(jù)盡量選擇三種氣體互相獨立的譜線以減少交叉干擾的原則，我們研究了HITRAN數(shù)據(jù)庫中這幾種氣體分子的近紅外吸收譜線，分別選擇了1529.18nm檢測[C2H2]，選擇1565.61nm檢測[CO]，選擇1572.26nm檢測[CO2]。選擇中心波長為1654nm的DFB激光器作為光源，半導體激光二極管控制器LDC501用于電流驅(qū)動DFB激光器和對激光器進行溫度控制，調(diào)節(jié)光源波長使其分時輸出中心波長為1529.17nm，1565.61nm和1572.26nm的激光。調(diào)制后的光聲信號由麥克風探測后送至數(shù)字鎖相放大器，在數(shù)字鎖相放大器內(nèi)部完成數(shù)字解調(diào)并濾波，輸入到處理器進行后續(xù)的濃度計算。endprint

實驗分別采用濃度分別為49ppm（[C2H2]）、346ppm（[CO2]）、100ppm（[CO]）和100ppm（[C2H2]）、490ppm（[CO2]）、250ppm（[CO]）以及248ppm（[C2H2]）、700ppm（[CO2]）、500ppm（[CO]）氣體對采用FPGA鎖相放大器的多組分氣體檢測系統(tǒng)（滿量程10%）進行了測試，采用多次測試得出實際的測量范圍，分別測試了3組數(shù)據(jù)，計算出儀器的示值誤差。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于FPGA 的數(shù)字雙相鎖相放大器，并將其應用在變壓器絕緣油中多組分氣體檢測中，通過對三種不同濃度混合氣體的測試，系統(tǒng)測量相對誤差小于5%，數(shù)字鎖相放大器具有較好的穩(wěn)定性，利用FPGA設(shè)計靈活、適應性強、集成度高的特點，通過軟件編程可以方便地將其應用在其他微弱信號檢測領(lǐng)域，為微弱信號的檢測提供了參考。

參考文獻：

[1] 許坤，周建華，茹秋實，等.變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展與展望[J].高壓電技術(shù)，2005，31（8）：30-32.

[2] 劉先勇，鐘秋海，周方潔.從變壓器中分離故障特征氣體的研究[J].電力系統(tǒng)自動化，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] 張望.光聲光譜微量氣體檢測技術(shù)及其應用研究[D].大連：大連理工大學，2010：125-131.

[5] Schramm D U，Sthel M S， da M G.Silvaetc. Application of laser photoacoustic spectroscopy for the analysis of gas samples emitted by diesel engines[J]. Infrared Physics &Technology，2003，44（4）：263-269.

[6] 張川，王輔.光聲光譜技術(shù)在變壓器油氣分析中的運用[J].高電壓技術(shù)，2005，31（2）：84-86.

[7] 王建偉.近紅外激光光聲光譜多組分氣體檢測技術(shù)及其醫(yī)學應用[D].大連：大連理工大學，2012：20-25，

[8] 施國勇.數(shù)字信號處理FPGA電路設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2009：48-79.

[9] 吳明華，鄭剛，江斌.一種新的應用于鎖相放大器的數(shù)字相關(guān)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2010，18（12）：2824-2826.

[10] 凌忠興.嵌入式系統(tǒng)中數(shù)字濾波的算法及軟件流程[J].電測與儀表，2007（1）：58-61.endprint

實驗分別采用濃度分別為49ppm（[C2H2]）、346ppm（[CO2]）、100ppm（[CO]）和100ppm（[C2H2]）、490ppm（[CO2]）、250ppm（[CO]）以及248ppm（[C2H2]）、700ppm（[CO2]）、500ppm（[CO]）氣體對采用FPGA鎖相放大器的多組分氣體檢測系統(tǒng)（滿量程10%）進行了測試，采用多次測試得出實際的測量范圍，分別測試了3組數(shù)據(jù)，計算出儀器的示值誤差。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于FPGA 的數(shù)字雙相鎖相放大器，并將其應用在變壓器絕緣油中多組分氣體檢測中，通過對三種不同濃度混合氣體的測試，系統(tǒng)測量相對誤差小于5%，數(shù)字鎖相放大器具有較好的穩(wěn)定性，利用FPGA設(shè)計靈活、適應性強、集成度高的特點，通過軟件編程可以方便地將其應用在其他微弱信號檢測領(lǐng)域，為微弱信號的檢測提供了參考。

參考文獻：

[1] 許坤，周建華，茹秋實，等.變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展與展望[J].高壓電技術(shù)，2005，31（8）：30-32.

[2] 劉先勇，鐘秋海，周方潔.從變壓器中分離故障特征氣體的研究[J].電力系統(tǒng)自動化，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] 張望.光聲光譜微量氣體檢測技術(shù)及其應用研究[D].大連：大連理工大學，2010：125-131.

[5] Schramm D U，Sthel M S， da M G.Silvaetc. Application of laser photoacoustic spectroscopy for the analysis of gas samples emitted by diesel engines[J]. Infrared Physics &Technology，2003，44（4）：263-269.

[6] 張川，王輔.光聲光譜技術(shù)在變壓器油氣分析中的運用[J].高電壓技術(shù)，2005，31（2）：84-86.

[7] 王建偉.近紅外激光光聲光譜多組分氣體檢測技術(shù)及其醫(yī)學應用[D].大連：大連理工大學，2012：20-25，

[8] 施國勇.數(shù)字信號處理FPGA電路設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2009：48-79.

[9] 吳明華，鄭剛，江斌.一種新的應用于鎖相放大器的數(shù)字相關(guān)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2010，18（12）：2824-2826.

[10] 凌忠興.嵌入式系統(tǒng)中數(shù)字濾波的算法及軟件流程[J].電測與儀表，2007（1）：58-61.endprint

實驗分別采用濃度分別為49ppm（[C2H2]）、346ppm（[CO2]）、100ppm（[CO]）和100ppm（[C2H2]）、490ppm（[CO2]）、250ppm（[CO]）以及248ppm（[C2H2]）、700ppm（[CO2]）、500ppm（[CO]）氣體對采用FPGA鎖相放大器的多組分氣體檢測系統(tǒng)（滿量程10%）進行了測試，采用多次測試得出實際的測量范圍，分別測試了3組數(shù)據(jù)，計算出儀器的示值誤差。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于FPGA 的數(shù)字雙相鎖相放大器，并將其應用在變壓器絕緣油中多組分氣體檢測中，通過對三種不同濃度混合氣體的測試，系統(tǒng)測量相對誤差小于5%，數(shù)字鎖相放大器具有較好的穩(wěn)定性，利用FPGA設(shè)計靈活、適應性強、集成度高的特點，通過軟件編程可以方便地將其應用在其他微弱信號檢測領(lǐng)域，為微弱信號的檢測提供了參考。

參考文獻：

[1] 許坤，周建華，茹秋實，等.變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展與展望[J].高壓電技術(shù)，2005，31（8）：30-32.

[2] 劉先勇，鐘秋海，周方潔.從變壓器中分離故障特征氣體的研究[J].電力系統(tǒng)自動化，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] 張望.光聲光譜微量氣體檢測技術(shù)及其應用研究[D].大連：大連理工大學，2010：125-131.

[5] Schramm D U，Sthel M S， da M G.Silvaetc. Application of laser photoacoustic spectroscopy for the analysis of gas samples emitted by diesel engines[J]. Infrared Physics &Technology，2003，44（4）：263-269.

[6] 張川，王輔.光聲光譜技術(shù)在變壓器油氣分析中的運用[J].高電壓技術(shù)，2005，31（2）：84-86.

[7] 王建偉.近紅外激光光聲光譜多組分氣體檢測技術(shù)及其醫(yī)學應用[D].大連：大連理工大學，2012：20-25，

[8] 施國勇.數(shù)字信號處理FPGA電路設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2009：48-79.

[9] 吳明華，鄭剛，江斌.一種新的應用于鎖相放大器的數(shù)字相關(guān)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2010，18（12）：2824-2826.

[10] 凌忠興.嵌入式系統(tǒng)中數(shù)字濾波的算法及軟件流程[J].電測與儀表，2007（1）：58-61.endprint