2017年第36卷第1期
传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies）
71
DOI;10.13873/J.10009787(2017)01-0071-04
便携数字式相关器设计
高猛，李文军
（中国计量学院计量测试工程学院，浙江杭州310018）
摘要：介绍了一种便携数字式相关器。相关器由MCU处理器EP4CE6E22C8N，USB2.0接口 CY7C68013A、高速光纤收发器HFBR-2526/1527、模/数转换电路等组成。论述了系统工作原理，闹述了硬软件搭建方案和核心器件的实现过程。利用该相关器对峰峰值为0.8nV的微弱量子电压正弦信号进行了放大、相关、数据存储及计算。结果表明：该数字式相关器数据传输速度快，可用于实现微弱信号的检测。
关键词：噪声电压；微弱信号；互相关；数字式相关器；USB接口
中图分类号：TB942
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2017)01-0071-04
Designofportabledigitalcorrelator
GAO Meng, LI Wen-jun
(School of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University,Hangzhou 310018,China ) Abstract; A portable digital correlator is introduced. It consists of MCU processor EP4CE6E22C8N, USB 2. 0 interface chip CY7C68013A, high-speed optical transmitter and receiver HFBR2526/1527, analog to digital conversion circuit, and so on. Working prineiple of device is described, configuration of hardware, design of software and realization of main device. Weak quantum voltage sinusoidal signal Whose peak-to-peak value is O. 8 nV is amplified ecomelated, data storage and calculated by digital eorrelator. The results show that the data-
transmission speed of digital corelator is high and can be used for detection of faint signal. Key words: noise voltage; faint signal; eross-correlation; digital correlator; USB interface
0
引言
作为热力学计量中温度的基本单位，开尔文将依据玻
尔慈曼常数的数量级做出相应调整。噪声法测温是目前可实现的可同时测量玻尔兹曼常数和热力学温度的三种方法之一，重要性不言面喻。
由于探测电阻产生的热噪声信号相当微弱，测量此类微弱信号需较大增益放大器将信号放大。然而，放大器及传输线的背景噪声与热噪声信号幅度一致，探测电阻噪声信号易被谨没在背景噪声中。
1961年，Weinreb提出周期信号可以通过自相关的方法在随机噪声中提取，利用相关技术提取有用信号的方法得到发展(")。
相关检测设备按照构成原理及工作方式分为模拟和数字式相关器。模拟式相关器因精度不高且不稳定等已不常见。而凭微处理器以及存储器进行数据相关运算及存储的数字式相关器得到产泛推广。
数字式相关器的实现方法主要有以下两种：一种为购买商业数据采集卡，结合LabVIEW软件等设计，价格昂贵，收稿日期：201603-01
电磁干扰较大；另一种以单片机或者现场可编程门阵列(field programmablegatearray，FPGA）等为核心设计数据采集板，结合C++软件等开发，一般传输速度较慢，设计周期长，电磁干扰小。
结合两种数字式相关器的优点，本文搭建了一种基于 FPGA和CY7C68013A芯片的硬件电路，并用LabVIEW软件设计了相关程序。
1
数字式相关器工作原理
不同于干扰噪声信号，有用信号与前后时刻信号值其
有较强的相关性()。提取有用信号主要是通过相关原理利用信号的这种差别来实现[3]。
将探测电阻信号x(t)经放大滤波后进行模/数信号转换。转换中为防止高频数字信号干扰，模拟/数字电路和高频数字电路中通过光纤连接"]。FPGA控制数字信号通过 USB接口高速传输到上位机中，其中，USB接口采用从属先人先出（slaveFIFO)模式传输。上位机对采集到的数字信号分别进行离散傅里叶变换（discreteFouriertransform， DFT）、共轭、相乘、累加平均，如图1所示。