# DigitalLockInAmplifier

**Repository Path**: muhmi/DigitalLockInAmplifier

## Basic Information

- **Project Name**: DigitalLockInAmplifier
- **Description**: Verilog实现数字锁相放大器
- **Primary Language**: Verilog
- **License**: Not specified
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 5
- **Created**: 2024-01-27
- **Last Updated**: 2024-01-27

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# 锁相放大器

锁相放大器（Lock-in Amplifier）是一种用于提取微小信号的测量仪器。它的主要特点是能够通过参考信号对输入信号进行同步检测，并且具有很强的抗干扰能力。

锁相放大器的工作原理是基于相位敏感检测技术。它将输入信号与一个参考信号进行乘法运算，使得输入信号与参考信号同频率同相位。然后，通过低通滤波器对乘积信号进行滤波，从而获得输入信号的幅度和相位信息。锁相放大器可以有效地抑制输入信号中的噪声和干扰，提高信号的信噪比。

## 接口

|Name | Description |
|---------|---------|
| SCL | IIC的SCL接口 |
| SDA | IIC的SDA接口 |
| SIGNAL[15:0] | 16位输入信号 |
| CLKIN | 输入信号的同步周期信号 |
| RSTN | 清零信号 |

## IIC通信

锁相放大器的设备地址为0x6C，寄存器地址为8位，寄存器有32位数据位

![I2C通信](./image/I2C.png)

## 启动流程

1. 往meas_signal_freq寄存器(0x01)写入待测信号的频率
2. 往sample_freq寄存器(0x02)写入待测信号的采样频率
3. 往start寄存器(0x00)写入非零数据，启动锁相放大器
4. 锁相放大器启动后，SIGNAL[15:0]连接16位待测数字信号，同时CLKIN连接频率与待测数字信号采样频率相同的周期方波信号，CLKIN不需要与SIGNAL对齐
5. 从output_cos寄存器(0x03)、output_sin寄存器(0x04)取出输出值

## 信号增益

16位输入信号与8位参考信号相乘，参考信号的幅度为$2^7-1$，相乘后的信号为24位，随后进入FIR滤波器。FIR滤波器的直流增益为1047958倍，随后经过乘法器相加得到47位信号，截取23位得到24位的输出信号。因此最后的实际增益为：

$$A = (2^7-1) \times 1047958 \times 2^{-23} = 15.87$$ 

## 待测信号计算

输入信号可以定义为

$$S_t = A_I \sin( \omega t + \varphi)$$

参考信号为

$$S_{R1}(t) = A_R \sin ( \omega t + \delta)$$

$$S_{R2}(t) = A_R \cos ( \omega t + \delta)$$

相乘后，经过FIR滤波器滤波后，两个信号的直流分量为

$$ S_{o1} = \frac {1}{2} A_I A \cos (\varphi - \delta)$$

$$ S_{o2} = \frac {1}{2} A_I A \sin (\varphi - \delta)$$

可得幅度为：

$$ A_I = \frac{2 \sqrt {S_{o1}^2+S_{o2}^2}}{A} = \frac{2 \sqrt {S_{o1}^2+S_{o2}^2}}{15.87} $$

可得相对相位为：

$$  \theta = \varphi - \delta = \tan^{-1} \frac{S_{o2}}{S_{o1}} $$

## 实际案例

首先假设采样频率为10000，待测信号的频率为3000,待测信号幅度为16384，相位为$-\pi/2$

那么需要使用I2C协议先往寄存器0x01写入0x000BB8，往0x02写入0x002710

![I2C通信](./image/I2CW1.png)
![I2C通信](./image/I2CW2.png)
![I2C通信](./image/I2CW3.png)

之后再往0x00写入0x0001，启动锁相放大器。

仿真的输出信号一幅度为$-3346$，输出信号二幅度为$106066$

![I2C通信](./image/example1.png)

则按照公式得知待测信号频率为$\dfrac{2 \sqrt {-3346^2+106066^2}}{15.87}=13374$，相位误差在-20%~20%以内。

待测信号相位差为$\theta = \varphi - \delta = \varphi = \tan^{-1} \dfrac{106066}{-3346} =-0.49 \pi$，相位误差在-3%~3%以内。

## 寄存器


|寄存器名字 | 地址   | 类型 | 描述 |
|---------|---------|------|--|
| start | 0x00 | 控制寄存器 | 32位任意一位为1，锁相放大器开始工作 |
| meas_signal_freq | 0x01 | 控制寄存器 |待测信号的频率 |
| sample_freq | 0x02 | 控制寄存器 | 待测信号的采样频率 |
| output_cos | 0x03 | 只读寄存器 | 待测信号与余弦信号调制、滤波后的值 |
| output_sin | 0x04 | 只读寄存器 | 待测信号与正弦信号调制、滤波后的值 |
| ref_cos | 0x05 | 只读寄存器 | [7:0]为参考余弦信号 |
| ref_sin | 0x06 | 只读寄存器 | [7:0]为参考正弦信号 |