锁相放大器.docx
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锁相放大器
2014江苏省大学生电子设计大赛
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锁定放大器的设计（C题）
2014年8月
锁定放大器的设计（C题）
摘要
为了检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，本系统基于锁定放大器设计了的微弱信号的检测装置。
本系统由纯电阻衰减网络、前级放大模块、同向加法器、相敏检波器、整形移相驱动电路、带通滤波器等多级滤波电路和LCD显示电路组成。
通过同向加法器和纯电阻衰减网络将信号和噪声进行叠加产生微小信号，之后采用检测电路和显示电路完成微小信号的检测和LCD显示。
本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，通过电压比较器产生方波以驱动乘法器AD630，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号，将该直流信号送入单片机处理后，经LCD显示信号幅值。
经过最终的测试，本系统能较好地完成检测微小信号的功能。
关键词：
微弱信号强噪声移相器锁定放大相敏检波
目录
1系统设计1
1.1设计要求1
1.1.1设计任务1
1.1.2设计要求1
2系统方案3
2.1方案比较与论证3
2.1.1微弱信号检测电路方案比较论证3
2.1.2移相电路模块方案比较论证3
2.1.3纯电阻衰减网络方案比较论证4
2.1.4前级放大模块方案比较论证4
2.2总体方案论述5
3理论分析与计算6
3.1锁定放大器原理6
3.2相敏检波器分析6
3.3移相网络原理7
4电路与程序设计8
4.1电路设计8
4.1.1纯电阻衰减网络8
4.1.2同向加法器9
4.1.3前级放大电路10
4.1.4移相电路11
4.1.5带通滤波器12
4.1.6相敏检波器13
4.2程序设计14
4.2.1测量结果标定14
5测试方案与测试结果15
5.1测试仪器15
5.2测试方案15
5.2.1基本部分测试15
5.3测试结果及分析16
6总结17
参考文献17
1系统设计
1.1设计要求
1.1.1设计任务
设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器（LIA）。
锁定放大器基本组成框图见图1。
图1锁定放大器基本组成结构框图
1.1.2设计要求
（1）外接信号源提供频率为1kHz的正弦波信号，幅度自定，输入至参考信号R（t）端。
R（t）通过自制电阻分压网络降压接至被测信号S（t）端，S（t）幅度有效值为10μV~1mV。
（2）参考通道的输出r（t）为方波信号，r（t）的相位相对参考信号R（t）可连续或步进移相180度，步进间距小于10度。
（3）信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。
误差小于20%。
（4）在锁定放大器输出端，设计一个能测量显示被测信号S（t）幅度有效值的电路。
测量显示值与S（t）有效值的误差小于10%。
（5）在锁定放大器信号S（t）输入端增加一个运放构成的加法器电路，实现S（t）与干扰信号n（t）的1:
1叠加，如图2所示。
（6）用另一信号源产生一个频率为1050~2100Hz的正弦波信号，作为n（t）叠加在锁定放大器的输入端，信号幅度等于S（t）。
n（t）可由与获得S（t）同样结构的电阻分压网络得到。
锁定放大器应尽量降低n（t）对S（t）信号有效值测量的影响，测量误差小于10%。
（7）增加n（t）幅度，使之等于10S（t），锁定放大器对S（t）信号有效值的测量误差小于10%。
（8）其他自主发挥。
图2锁定放大器叠加噪声电路图
2系统方案
2.1方案比较与论证
2.1.1微信号检测电路方案比较论证
方案一：
采用取样积分电路检测
利用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善
倍，但它要求信号必须与触发同步，而且电路及元器件水平决定的动态范围，这种方法需要时间长，取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。
因此此方案不利于实际制作。
方案二：
采用锁定放大器检测
锁定放大器由信号通道、参考通道、和相敏检波器等组成，其中相敏检波器（PSD）是锁定放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有很好的检波特性。
方案三：
采用窄带滤波器实现微弱信号检测
窄带滤波器设计简单，电路复杂程度较低，但该窄带滤波器需要很高的Q值，当Q值很高时电路将不稳定，而且滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，这将给后面的电路测试带来很大的影响。
综合以上三种情况，由于该测试信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适合于锁定放大器的工作情况，故选择方案二。
2.1.2移相网络模块方案比较论证
因为移相网络是锁定放大器设计中的一部分，所以在此进行分析论证。
方案一：
采用全通滤波器模拟移相电路，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。
方案二：
模拟移相
通过数字电位器、移相器和电压比较器，输入参考信号，经移相器进行相移，再通过一电压比较器输出方波，由此驱动乘法器。
而可在数字电位器上接入单片机，进行去噪处理。
方案三：
数字移相
利用FPGA或单片机对相移进行控制，数字移相可以在4个象限内进行0～89°的调节，合起来即实现了0～360°的移相，由集成芯片控制频率和相位预值。
综上三种方案，由于方案一实际元件搭建电路，系统误差和元件误差避免不了，从而致使测量结果存才不可预知的偏差，而方案三采用集成芯片控制，虽然控制精度高，但是电路复杂程度高，成本也很高，而方案二可通过手动席位调节，电路简单可靠，实用性高，因此我们采用方案二。
2.1.3电阻衰减网络方案比较论证
电阻分压网络有串联分压型和
型网络，
型网络性能较串联分压好，适合在高频的条件下工作，本题要求的电压范围较小，故采用高精度电阻作简单电路串联起来作为分压网络即可达到题目要求。
2.1.4前级放大模块方案比较论证
方案一：
采用两级INA128放大
采用两片INA128进行级联放大，级联简单且放大倍数稳定，但不可调节放大倍数，不便于电路的调节。
方案二：
采用op07放大
虽然op07失调电压低，开环增益高，但带宽较窄，可调性不高，同样不利于电路的调节。
方案三：
采用可调节PGA204放大
此方案使用一片PGA204代替方案一中的后级INA128，实现放大倍数可调，便于电路的调节控制。
综上方案，我们采用方案三。
2.2总体方案论述
综上所述，本系统总体框图如下图所示，系统由电阻衰减网络，同向加法器，前置放大电路，带通滤波器，移相器，相敏检波器，低通滤波器和直流放大电路构成。
其中由1kHZ、1V的信号和1050HZ~2100HZ的噪声经过衰减器衰减后，同时送入由同相放大电路构成的加法器中进行叠加，使得信号湮灭在噪声中，然后将混合信号送入前级放大电路放大，经由带通滤波器滤波后，作为相敏检波器输入信号输入；再由初始的1kHZ、1V的信号同时送入移相网络、低通滤波进行检测，并经过电位比较器产生同样有效值的方波作为参考信号送入相敏检波器AD630。
本系统以相敏检波器为核心，将参考信号和滤波后的信号进行相乘检波，再经低通滤波器后输出直流信号并送入单片机进行A/D转化，最后在液晶屏上显示幅值。
3理论分析与计算
3.1锁定放大器原理
锁定放大器由信号通道、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。
因此它能大幅度抑制噪声信号，提取出有用信号。
一般锁定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，则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。
此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱信号检测的一种有效方法。
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。
3.2相敏检波器分析
相敏检波器分为开关式乘法器和模拟乘法器，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。
其中图4为相敏检波器的基本框图。
图4PSD基本框图
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。
3.3移相网络
必须加入移相网络是因为输出信号与信号的相位差有关。
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，因数字电路采用集成芯片进行控制，控制精度好且控制方便，因而我们相移网络采用数字模拟电路。
4电路与程序设计
4.1电路设计
4.1.1纯电阻衰减网络
本衰减网络采用直接电阻分压即可获得100倍以上的分压，并且通过不同电阻值得分压来达到输出不同电压的效果，为了获得较好的分压结果，R1、R2均采用精密电阻，电路图为下图。
4.1.2同向加法器
本加法器模块采用运放OP07，并且加入了INA128进行后续放大，电路简单可靠性能好。
电路图为下图。
4.1.3前级放大电路模块
为了对加法器输出信号进行放大，通过PGA204电路可调节10倍、100倍、1000倍等的放大倍数可供电路需要选择，INA128外围电路简单，输入阻抗高，并且有效抑制共模干扰，放大倍数可调，通过液晶显示的幅值从而适当的调节放大倍数。
电路图为下图。
4.1.4移相电路
本移相电路由2片op07运放芯片集成，其中之一用来对输入的正弦信号进行相位检测和调节，另一片用来作为电压比较器对经过相移调整的正弦波进行过零比较生成有效值为1V的方波输出。
电路图如下。
4.1.5带通滤波器
将低通滤波器与高通滤波器串联，就可以得到带通滤波器，因为输入信号的频率范围为900HZ~1100HZ，所以带通滤波器的通带必须包含这个频率范围，通过参数计算参数可得带通滤波器电路。
4.1.6相敏检波器
带通滤波器输出后，输入到开关乘法器AD630中；然后另一路将参考电源先经过移相网络，接着滤掉直流，然后经过用OP07构成的电压比较器，得到方波从而去驱动AD630，具体电路为下图。
AD630的输出最后经过由OP07构成的可选择低通滤波器，可选择无源低通滤波器，也可选择有源低通滤波器。
4.2程序设计
本设计使用MSP430的单片机来完成，该单片机主要是将最后的低通滤波器的输出直流电压进行A/D采样并显示在液晶显示屏上，且通过观测液晶上的幅值大小，通过手动按键控制对前级放大模块PGA204的放大倍数进行适当的控制调节，并通过单片机的精确调节，在微笑信号下依然能够测出相对误差较小的信号值，从而得出较好的输出电压值。
4.2.1测量结果标定
我们通过采用多级纯电阻衰减网络对初始输入信号进行1000~50000倍等倍的衰减得到1mV、800uV、600uV、400uV、200uV、100uV、80uV、60uV、40uV、20uV等值衰减的有效值电压信号，为了提高测量精度，我们使用高精度的6位半数字多用表对微弱信号进行测量，并测得经过锁相放大器放大后得到的电压有效值与衰减之后电压有效值进行对比，得出对比值进行对比，从而对测量结果进行标定，使结果更加准确。
5测试方案与测试结果
5.1测试仪器
任意波形发生器模拟示波器6位半数字多用表
万用表直流电源
5.2测试方案
5.2.1基本部分测试
（1）经测试得：
噪声源输入的有效值输出为1.0V；
带通滤波器带宽为900Hz~1100Hz时，两边截止频率时的衰减为原信号的70%左右；
PGA204可对输入信号进行标准的10倍、100倍、1000倍的放大；
相移网络可对输入信号进行0~180度的相移调节；
（2）保持输入的正弦信号的频率为1KHz,有效值为1V，通过衰减网络对输入信号衰减倍数进行改变，在无噪声影响下，检测并显示输出正弦信号的有效值，测量结果如下表。
输入信号衰减倍数
1000
2000
3000
4000
5000
10000
20000
30000
40000
50000
输出电压有效值mV
1035
832
609
400
200
92
78
56
40
18
（3）保持输入的正弦信号的频率为1KHz,有效值为1V，通过衰减网络对输入信号衰减倍数进行改变，在噪声频率为1050Hz，有效值为1V的信号影响下，检测并显示输出正弦信号的有效值，测量结果如下表。
输入信号衰减倍数
1000
2000
3000
4000
5000
10000
20000
30000
40000
50000
输出电压有效值
1050
980
695
449
214
104
88
59
35
13
（4）我们系统也可通过数字电位器对相移电路进行调节，达到多种不同方式控制的要求，提高系统可靠性。
5.3测试结果及分析
由上述测试数据可得，本系统能较好地完成基本部分的要求，当正弦信号频率为1K，有效值为1V时，通过电阻衰减网络很好地将输入信号分压降低至不同所需的等级,并且误差小于%10。
但当信号很小时，输出电压有所偏差，可能是由于各级加法，放大器的线性误差及零飘，仪器的系统误差，MSP430AD采样的非线性误差等导致的。
6总结
本系统能够很好地完成基础部分和大部分发挥部分，系统电路中相敏检波器能够工作在信号频率缓慢变化时有效检测出有用信号，并且相移电路能够很好地进行相位检测盒调节，各级放大器，滤波器测量结果均能达到预定结果。
但由于时间仓促，我们的系统依旧存在许多不足和可改进的地方，不过通过这四天的学习，我们付出了很多，也收获了不少，对很多理论知识有了更深的了解，实践的能力也有了很大的进步，能更好的将理论与实践相结合并很好的运用在我们的学习中。
参考文献
[1]高晋占,微弱信号检测，清华大学出版社2004.11
[2]张浩风，模拟电路分析计算与应用设计，化学工业出版社2012.9
[3]黄智伟，全国大学生电子设计竞赛系统设计（第2版），北京航天航空大学出版社2011.1
全部电路原理图
衰减网络
同向加法器
前级放大电路
相移电路
带通滤波器
相敏检波器
直流放大
电压比较器
升级会员 