辽宁省TI杯大学生电子设计竞赛C题锁定放大器设计报告.docx
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辽宁省TI杯大学生电子设计竞赛C题锁定放大器设计报告
2014年TI杯大学生电子设计竞赛题
C题：
锁定放大器的设计
设计报告
摘要
本作品基于锁定放大器设计，由前级放大模块,带通滤波器模块，相敏检波模块，触发整形模块和单片机显示模块组成，具有微弱信号锁定放大功能。
在前级放大电路中，信号发生器经过分压网络得到交流放大器的信号来源。
信号通过带通滤波器，加上参考通道得到的方波，一起输入到相敏检波电路，得到整流波形，经过低通滤波器，得到变化极其缓慢的直流信号，经过单片机显示。
本作品进行合理的级联和阻抗匹配，加入单片机设计的示波器显示，从而得到一个完整的锁定放大器系统。
而且综合应用了电容去耦、滤波、旁路电容等抗干扰措施以减少放大器的噪声干扰。
关键词：
分压网络交流放大器相敏检波触发整形示波器
一、总体方案设计
1.1系统总体方案
根据题目要求如图1，要求系统分为三大部分：
第一部分信号通道，实现对信号的放大，去噪。
第二部分为参考通道，通过移相器和比较器，得到方波。
第三部分为检波电路，得到信号幅值，并显示。
图1锁定放大器基本组成结构框图
图2系统方案框图
本方案系统总体框图如图2所示，系统由加法器、衰减器、前置放大电路、带通滤波器、同相电路、反相电路、移相器、开关电路和低通滤波器构成；其中由同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，使得信号湮灭在噪声中，然后经过衰减器衰减100倍以上，送到由放大电路、带通滤波、同相、反相、移相、比较和低通滤波器构成微信号检测电路中。
本系统以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相电路和比较器输出方波驱动开关管乘法器，输出直流信号然后通过单片机A/D转换，最后在液晶上显示出来。
1.2系统方案设计论证
1.2.1微信号放大设计
本题目要求采用锁相放大器检测小信号，噪声强、信号弱，是锁相放大器的工作情况，对此，我们要采用低噪声的精密放大运算放大器OPA2376。
前段放大电路需要有足够的放大倍数，来保证信号的采集。
对此，本方案采用了放大60dBde的设计，以期达到设计需求。
1.2.2移相网络设计
本题移相网络有全通滤波器模拟移相电路和数字步进移相两种方法可以选择。
，一阶全通滤波器的移相范围接近180度，所以通过设计两级滤波则可使移相范围达到360度。
数字移相由于单片机基础薄弱，而且单片机具有天生的相位误差存在，所以选择模拟移相电路方案。
1.2.3相敏检波设计
锁相放大器对于噪声的抑制能力，低通滤波器（LPF）的截止频率来确定的。
例如，在测量10kHz的信号时，如果使用1mHz的低通滤波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器时的噪声抑制能力。
如同前面所解说的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器（BPF）时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。
与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。
与带通滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实现。
由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。
频率变换是通过乘法运算来进行的。
一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。
所以，在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换。
由开关元件所进行的同步检波电路，称作PSD（相敏检波器，PhaseSensitiveDetector）,这是组成锁相放大器的心脏部分。
二、理论分析与参数计算
2.1锁相放大器原理
随着科学技术和生产的发展，存在着大量淹没在噪声背景中的微弱信号需要检测。
微弱信号检测技术已成为深化认识自然，探索新材料，创造新器件的重要工具。
微弱信号检测这种专用技术，最根本的目的是改善信噪比。
当信号频率和相位已知时，可以证明：
采用相干检测技术能使信噪比改善最大，并是恢复信号幅度的最佳技术。
实际测量一个被测量时，无用的噪声和干扰总是伴随出现，影响了测量的精确性和灵敏度。
特别是当噪声功率超过待测信号功率时，就需要用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原信号。
这些检测仪器是根据改进信噪比的原则设计和制作的，即锁定放大器。
锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成，是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。
它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、同相的噪声分量有响应。
所以它能大幅度抑制噪声信号，提取出有用信号。
一般锁相放大器具有极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益可达220dB，能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。
由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声能力。
它和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。
锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因为很好地利用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间在性质上的差别。
2.2相敏检波器分析
相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器，本设计采用开关式乘法器。
相敏检波器（PSD）的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波，当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大。
工作过程如下：
设输入信号为
。
参考输入
时幅度为
的方波，其周期为
，角频率为
，根据傅里叶分析的方法，这种周期性函数可以展开为傅里叶级数
可得
的傅里叶级数表示式为
上式右边第一项为差频项，第二项为和频项。
经过LPF的滤波作用，
的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩
的差频项为
当方波幅度
时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当
为
时，电子开关的输出连接到
；当
为
时，电子开关的输出连接到
，这时LPF的输出为
当经过开关乘法器，角度之差为0时，输出信号最大。
2.3移相网络
因为输出信号与信号的相位差有关，所以必须加入移相网络。
移相是指两种同频的信号，以其中一路为参考，另一路相对于该参考做超前或滞后的移动，即称为相位的移动。
由方案论证得，本设计采用模拟移相电路。
模拟移相电路其实就是一个全通滤波电路，它的放大倍数Au=（-1+jwRC）/（1+jwRC），写成模和相角的形式为：
|Au|=1,φ=180°-2arctan（f/f0），其中f0=1/（2πRC）。
每个滤波器相移范围均接近180°，所以本设计采用2个一阶全通滤波器串联，使得整个移相电路能做到接近360°的相移范围。
2.4噪声与干扰
2.4.1噪声与干扰来源分类
通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。
把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性，可以减少或消除。
锁定放大器要解决的就是如何在很强的外部干扰环境中检测弱信号。
宽带的或持续的无用信号：
噪声。
瞬时的或窄带的无用信号：
市电50Hz或100Hz（整流等）；电台；开关通/断；高能量的脉冲电流或电压；机械振动；太阳活动；雷电等
2.4.2噪声的屏蔽
电容性偶合：
降低电路的阻抗，在噪声源与信号线之间建立导电屏障，屏障接地。
例屏蔽线，铜罩壳等。
电感性偶合：
减少回路面积，用铁磁性物质包围噪声源。
例如，变压器的外壳，双绞线。
接大地：
消除电位差；消静电。
接信号地：
信号的公共点，提供信号回路，减少阻抗。
1MHz低频以下可采用一点接地，10MHz以上高频可采用大面积多点接地。
还要注意区分模拟地和数字地。
三、电路设计
3.1信号通道
3.1.1纯电阻分压网络
分压采用直接电阻分压即可获得1000倍以上的分压，为了获得较好的分压结果，R1、R2均采用精密电阻，并用跟随器断开与加法器的连接，使分压更加精确，电路图如图3：
图3分压网络原理图
3.1.2加法器
加法器采用差分放大器INA2134，无需外接电阻，即可做到
电路简单可靠，电路图如图4：
图4加法器原理图
3.1.3前级放大电路模块
为了使微弱检测电路的输入阻抗
1MHz，所以它的第一级为同相放大电路，则它的输入阻抗至少大于1MHz，采用两片INA128作为运放放大100倍，INA128的放大倍数
，所以第一级放大6倍，第二级放大16倍，选择电阻RG分别为10KΩ，3.3KΩ；INA128外围电路简单，输入阻抗高，并且有效抑制共模干扰，电路图如图5：
图5交流放大原理图
3.1.4带通滤波器
输入信号的频率要求为1K，而且信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。
误差小于20%。
如图6所示：
图6带通滤波器原理图
3.1.5移相网络设计
因为元器件本身的固有特性，移相达到180°有一定的困难，所以采用两级串联的移相网络设计，从而使移相能力接近360°。
如图7：
图7移相网络原理图
3.1.6过零比较器
本设计采用LM311设计过零比较器实现方波到正弦波的转换。
如图8：
图8比较器原理图
3.1.7相敏检波器
带通滤波器的输出
同时经过同相和反相跟随器后，输入到模拟开关TS5A3159DBVR；然后另一路将参考电源
先经过移相网络，然后经过用LM311构成的单限过零比较器，得到方波去驱动TS5A3159DBVR，。
如图9：
图9相敏检波原理图
3.1.8低通滤波器
相敏检波的输出最后经过由OPA2376构成的可调低通滤波器，该滤波器的R=1MHz，C=1u，算出截止频率为1Hz，能够达到滤波的效果，具体电路为图10：
图10LPF原理图
3.2单片机程序设计
低通滤波的输出交由AD采集模块，差分模式进行采集，经过计算，最后通过扩展液晶进行实时显示。
图11显示电路原理框图
3.2.1测量结果显示
为了提高测量精度，除了采用多次A/D取平均以外，还在程序中加入了电压校准模块。
因为是对微小信号的检查，不同幅度段的信号的比值可能会因为幅度的大小而不同，故对不同幅值的小信号采用不同的电压校准，由原理知输出和输入电压之间有一个定值的比例，会随相位不同而不同，故每次可根据要测量的信号范围调节相位，使比例值最大，最终根据得到的标定系数结合加权平均的结果计算出最终的测量值，送到液晶显示。
四、系统测试和数据分析
无噪声“无衰减输入-输出幅值”测试记录表
输入mv
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
输出mV
1988
1884
1686
1466
1253
1041
827.6
输入mv
1750
1500
1250
1000
950
900
850
输出mV
720.2
614.3
509.6
408.1
383.7
362.6
341.8
输入mv
800
750
700
650
600
550
500
输出mV
320.8
300.2
279.6
259.7
238.8
218.5
199.7
输入mv
450
400
350
300
250
200
180
输出mV
177.8
157.4
137.3
117.3
97.4
77.69
69.51
输入mv
150
120
100
80
50
输出mV
57.78
46.05
38.23
30.31
18.65
输入mv
40
30
20
10
输出mV
14.67
10.78
6.67
2.24
无噪声“无衰减输入-输出幅值”对应图
200uV基准电压下无噪声测量显示表
微弱信号
（uV）
测量显示
（uV）
误差
（%）
微弱信号
uV
测量显示uV
误差
（%）
1000
991.7
0.83
110
106.1
3.55
900
919.7
2.19
100
96.5
3.50
800
815.6
1.95
90
86.6
3.78
700
710.6
1.51
80
76.8
4.00
600
606.5
1.08
70
67.1
4.14
500
503.5
0.70
60
57.3
4.50
400
399.5
0.13
50
47.7
4.60
350
348.3
0.49
40
38.1
4.75
300
297.1
0.97
36
34.2
5.00
250
246.5
1.40
30
28.5
5.00
200
196.1
1.95
24
22.7
5.42
190
185.8
2.21
20
18.8
6.00
180
175.7
2.39
16
15.1
5.63
170
165.5
2.65
10
9.33
6.70
160
155.5
2.81
8
7.44
7.00
150
145.3
3.13
6
5.53
7.83
140
135.3
3.36
4
3.55
11.25
130
125.8
3.23
2
1.29
35.50
120
115.7
3.58
由数据表和直线图可以看出，测试结果基本符合线性关系，而用分段幅值检测方法，可以减小误差；而即使没有分段测试，均在200uV的基准电压下测试，结果误差在10%内，还是完全符合题目要求。
在90uV基准电压下加噪声测试表
加噪频率
1:
1测量显示
误差（%）
1:
10测量显示
误差（%）
1050
91.9
2.11
85.2
5.33
1100
92.5
2.78
88.7
1.44
1150
92.5
2.78
89.8
0.22
1200
91.6
1.78
90.8
0.89
1250
90.7
0.78
90.9
1.00
1300
90.3
0.33
90.2
0.22
1350
90.1
0.11
89.4
0.67
1400
89.8
0.22
89.4
0.67
1450
89.8
0.22
89.4
0.67
1500
89.7
0.33
89.4
0.67
1550
89.7
0.33
89.3
0.78
1600
89.8
0.22
89.4
0.67
1650
89.7
0.33
89.4
0.67
1700
89.7
0.33
89.4
0.67
1750
89.7
0.33
89.3
0.78
1800
89.7
0.33
89.4
0.67
1850
89.7
0.33
89.4
0.67
1900
89.7
0.33
89.4
0.67
1950
89.7
0.33
89.4
0.67
2000
89.7
0.33
89.3
0.78
2050
89.7
0.33
89.4
0.67
2100
89.7
0.33
89.4
0.67
噪声加入后，对信号检测造成的影响还是能够看出来的，尤其频率想接近时，影响较大；但总体效果还是不错的，随着噪声频率的增大，滤波效果明显变好，误差也稳定下来，控制在了10%以内，有效地检验了电路的微弱信号的检测能力。
因为原本的显示电路有误差，所以在加噪声后可能会出现误差变小的情况，所以，是符合事实情况的。
带宽测试
（输入的2v测试电压）
频率Hz
700
750
800
825
850
875
900
幅度V
0.312
0.376
0.504
0.576
0.736
0.824
0.992
频率Hz
910
920
930
940
950
960
970
幅度V
1.12
1.18
1.24
1.34
1.4
1.46
1.52
频率Hz
980
990
1000
1010
1020
1030
1040
幅度V
1.6
1.64
1.7
1.74
1.8
1.84
1.86
频率Hz
1050
1060
1070
1080
1090
1100
1125
幅度V
1.90
1.94
1.94
1.94
1.92
1.92
1.88
频率Hz
1150
1170
1180
1190
1200
1210
1220
幅度V
1.72
1.6
1.56
1.48
1.4
1.36
1.3
频率Hz
1230
1250
1300
幅度V
1.2
1.12
0.88
带宽测试中,也在要求之内，低通截止频率1000Hz,中心频率1060,高通截止频率1150,误差分别为:
（1000-900）/1000*100%=10%;
（1060-1000）/1000*100%=6%;
（1150-1100）/1100*100%=3.6%;
较好完成要求的20%误差。
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