锁相放大器.doc

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摘 要
锁定放大器（LIA）是一种检测微弱信号的专用电路。它能在较强干扰背景条件下，对特定频率信号进行有效测量。
系统是以平衡调制器AD630构成的相敏检波电路为核心，由纯电阻分压模块、被测微弱信号与背景噪声叠加的加法器及交流放大器模块、参考信号整形移相模块、具有锁相功能的微弱信号检测模块、单片机有效值检测显示模块等组成。
被测微小信号与背景噪声叠加后，进行交流放大和带通滤波器与具有参考信号在相敏检波器中叠加，相敏检波器可以在背景噪声中获取与参考信号同频率的有用信号并整流输出，然后对该输出信号进行低通滤波和直流放大后，由单片机AD检测并在液晶上显示出来。整形移相模块可以用来调整参考信号与被测信号的相位，使之同相。
该系统具有灵敏度高、测量较准确等优点。
关键字：锁相放大器，相敏检波器，移相，有效值检测
目 录

一、系统方案选择与论证 1
1.2设计思路与框图 2
二、 系统分析与计算 3
2.1 纯电阻分压电路 3
2.2 加法器 3
2.3 交流放大器 4
2.4 带通滤波器 5
2.5 相敏检波器 6
2.6 低通滤波器 6
2.7 参考通道 7
2.8 输出显示 8
2.8.2 程序流程图 8
三、 测试方案与测试结果 8
3.1检测方法与结果 8
3.2测试结果分析 9
四、实物演示 9
六、参考文献 9
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锁相放大器的设计（C题）
锁相放大器是一种在较强干扰背景条件下，检测微弱信号电气参数的专用电路。
一、系统方案选择与论证
锁相放大器的核心在于检测微弱信号的相敏检波器设计。相敏检波器是一种根据信号的相位来提取有用信号的处理电路，在外部同频控制信号作用下，用控制信号来截取输入信号，相敏检波器输出的直流分量为反映输入信号与控制信号相位差的直流电压，经低通滤波器LPF滤除高频分量后得到直流输出信号（如图1）。

图1 相敏检波器
相敏检波器有多种实现方案：
方案一：运算放大器法

图2 运算放大器实现的相敏检波器
该方案（如图2）主要由运算放大器和电子开关组成。参考信号通过运放构成的整形移相模块，得到与输入信号同频同相，占空比为1：1的方波，该方波作为电子开关的控制信号，控制由结型场效应管构成的电子开关。当参考信号处于正半周（即R(t)>0）时，场效应管截止，差分放大器相当于一个跟随器，如假定放大器增益为0 dB，此时输出就是输入信号本身S(t)；而当参考信号处于负半周时，场效应管导通，差分放大器相当于一个反相比例放大电路，输出为-S(t)，这样在输出端看到的就是一个直流信号，类似于S(t)经过整流后的效果。
方案二：数字相敏检波器

图3 数字相敏检波
该方案其实质相当于一个乘法器和一个积分器（如图3）。输入信号与被测信号相乘后，在0~T周期内进行积分，由于参考信号与输入信号中的有用信号同频同相，相关性强，而输入信号中的干扰信号与参考信号相关性弱，其与参考信号的积分项近似为0。因而相敏检波器相当于把被测信号的实部和虚部分别测量出来，然后进行积化和差运算，获得计算结果。实用的数字相敏检波电路主要包括调理电路、AD转换电路和DSP相敏检波算法组成。
方案三：平衡调制器法
该方案利用平衡调制器专用芯片AD630作为核心，根据技术文档组成相敏检波电路，利用参考信号进入过零比较器，用比较器的结果控制差分放大器，其原理与方案一相似，但集成程度好，电路简单，与方案二相比，方案三不需要复杂的数学运算，实现容易，故本次选择方案三。
1.2设计思路与框图
根据任务要求，本系统是以平衡调制器AD630构成的相敏检波电路为核心，由纯电阻分压模块、被测微弱信号与背景噪声叠加的加法器及交流放大器模块、参考信号整形移相模块、具有锁相功能的微弱信号检测模块、单片机有效值检测显示模块等组成。
被测微小信号与背景噪声叠加后，进行交流放大和带通滤波器与具有参考信号在相敏检波器中叠加，相敏检波器可以在背景噪声中获取与参考信号同频率的有用信号并整流输出，然后对该输出信号进行低通滤波和直流放大后，由单片机AD检测并在液晶上显示出来。整形移相模块可以用来调整参考信号与被测信号的相位，使之同相。

图4 系统框图
二、 系统分析与计算
2.1 纯电阻分压电路
由于S(t)幅度有效值为10uV ~ 1mV，采取自制电阻分压网络降压的方法可得到S(t)幅度有效值较小的可调范围。如分压电路设计原理图，当信号源的幅值为1V时，经过电阻分压，A点的电压为1mV，B点的电压为300uV，C点的电压为30uV。同理可得其他各点电压。电路如图5所示。

图5 分压电路原理图
2.2 加法器
要实现S(t)与干扰信号N(t)的1：1叠加，需要采用加法器电路（如图6，图中忽略正负电源）。本次采用的是同相加法器，S(t)与N(t)在运算放大器同相端叠加，A点在未加干扰信号N(t)时需要接地处理，以确保整个系统的电压增益保持恒定。

图6 同相加法器
2.3 交流放大器
由于输入信号非常微弱，需要放大器有较大增益，所以交流放大器选用具有较大增益的INA128芯片。INA128是低功耗高精度的通用仪表放大器，通过改变外部电阻RG的大小可实现从1至10000的任意增益选择，如图7。

图7 INA128工作基本基本连接要求
在引脚1和引脚8之间外接一个电阻RG可对增益进行设置，其主要计算公式是：

实际电路原理图如图8所示：

图8 INA128电路原理图
2.4 带通滤波器
带通滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。根据题目要求，本次采用的是压控电压源二阶带通滤波器，带通滤波器的带宽为200Hz，中心频率为1kHz。则取：

中心频率，取电容C=0.01uf，则根据参考文献1提供的算法，R3=R4=15.92K，实际制作时取16K，R5=2R3=32K。如图9所示。

图 9 带通滤波器
2.5 相敏检波器
由于独立的元器件搭建锁相放大器系统不稳定，所以采用锁相放大器集成芯片AD630，系统方便稳定，电路搭建简单。本次采用了ADI公司提供的AD630技术文档中的接法，实现相敏检波（如图10），其中输入端和输出端的放大器和滤波器电路则用自行设计的电路代替。

图10 AD630构成的锁定放大器原理图
2.6 低通滤波器
低通滤波器的作用是只允许在低通频带范围内的信号通过，而比此频带上限频率高的信号均加以衰减或抑制。本次采用的是经典的二阶巴特沃斯低通滤波器（如图11）。其主要计算公式如下：

因为,,为更好的实现滤波，设置。

设电容C=1uf，则R=796k

图11 低通滤波器原理图
2.7 参考通道
在移相器的设计中，由于OP07精度高，转换率低的特点，不适合移相器的制作，所以采用TL082。该芯片虽然精度不高，但具有高转换率，低输入偏置和偏置电流，低失调电压温度系数的特点，适宜做比较器。
电路原理图如图12：

图12 移向器电路图
2.8 AD位数设计
本次输入信号的范围是10uV ~ 1mV，设计分辨率为0.1%，则AD的分辨率至少为1/1000，则至少要采用10位以上的AD。为保证采样的准确，本次采用TLC2543作为AD，由AD780提供2.5V的基准。
3、 电路设计与程序设计
3.1 电路设计
本次系统电路图如附件1所示。
3.2 软件设计
本次程序设计主要功能为对输入信号进行采样和数据处理。其主要流程是，利用AD进行采样，然后读出数据后还原成采样到的实际电压（其实是输入信号进行一定倍数放大后的结果），然后根据实测的系统增益计算出输入电压，并在液晶显示屏上显示出来。为保证显示数据的稳定性，在计算输入电压时还采用了数字滤波，每采样127次计算平均值。其程序流程图如图13所示，程序源代码如附件2所示。

图13 程序流程图
4、测试方案与测试结果
4.1 测试流程
本次测试使用了双路直流 稳压电源、DDS信号发生器、数字式波器、数字万用表等仪器。由于输入信号经过了加法器、滤波器等电路，会带来一定的相位移动，测试前需要对参考信号移相操作，确保参考信号与输入信号同频同相。
4.2 测试记录
1、S（t）幅度有效值在10uV～1mV：
输入电压有效值１V，通过1000：1、10000：1、100000：1的网络获得1mV ,100uV，10uV的电压。
2、参考通道移相步进180度：
利用两个电位器可实现±180度连续移相。
3、信号通道的3dB带宽：
fL= 940Hz
fH= 1103Hz
4、输入S(t)，测量结果：
序号
S（t）输入值（uV）
输出端实测值（uV）
相对误差
1
1000
982.1
1.79%
2
500
496.9
0.62%
3
400
399.2
0.2%
4
300
301.9
0.63%
5
200
204.3
2.15%
6
100
106.3
6.3%
7
50
56.4
12.8%
8
40
46.7
16.75%
注：以上电压均为有效值
5、S（t）与噪声N（t）1：1叠加：如2.2电路设计保证。
6、干扰信号对测量的影响
（1）fn=1050Hz,S(t)=N(t)
序号
S（t）输入值（uV）
输出端实测值（uV）
相对误差
1
1000
925.6

2
500
485.1

3
300
300.3

4
100
107.9

5
50
57.6

6
10
17.8

（2）fn=1600Hz,S(t)=N(t)
序号
S（t）输入值（uV）
输出端实测值（uV）
相对误差
1
1000
958.4

2
500

3
300

4
100

5
50

6
10

（3）fn=2100Hz,S(t)=N(t)
序号
S（t）输入值（uV）
输出端实测值（uV）
相对误差
1

2

3

（4）fn=1050Hz,S(t)=0.1N(t)
序号
S（t）输入值（uV）
输出端实测值（uV）
相对误差
1

2

3

（5）fn=1600Hz,S(t)=0.1N(t)
序号
S（t）输入值（uV）
输出端实测值（uV）
相对误差
1

2

3

（6）fn=2100Hz,S(t)=0.1N(t)
序号
S（t）输入值（uV）
输出端实测值（uV）
相对误差
1

2

3

4.3测试结果分析
通过对测试数据分析可知，
六、参考文献
[1]华成英.童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京:高等教育出版社，2006.5.
[2]高晋占.微弱信号检测[M].北京:清华大学出版社，2004.
[3]《电子线路设计、实验、测试》华中科技大学出版社，谢自美.
[4]《放大电路实用设计手册》辽宁科学技术出版社，段九州主编。