锁定放大器的设计.docx

目录

1. 摘要与系统方案选择
2. 设计原理与理论分析
3. 交流放大器
4. 有源带通滤波器
5. 硬件设计
6. 加法器
7. 二阶带通滤波器
8. 参考通道
9. 实验数据
10.软件程序
11. 参考文献

锁定放大器的设计
摘要 本系统以TI公司超低功耗MSP430G2553作为处理核心，进行控制和测量。信号通道对调制正弦信号输入运用加法电路以后，先进行衰减10000倍，然后进行交流放大10000倍（一级放大100倍，二级放大100倍），让信号通过信号通道，一级放大用高精度仪表放大器 INA114对信号进行初步的放大，进一步提升系统的噪声抑制比，二级放大应用TI通用双运放OPA2237实现。相敏检波模块（相敏检波器,低通滤波器和直流放大器）由数字电路用单片机来实现，参考信号通过自制的电阻分压网络降压和TI公司的LM324电压比较器实现移相器，调理后汇总进入数字检波模块最后显示出结果，顺利完成了题目要求。

关键词： 微弱信号放大 精密仪表放大器放大器 数字检波

一、 系统方案与选择
1.放大电路的选择
方案一：选用普通运算放大器，价格便宜，技术成熟，操作难度小。但是会将内部严重的噪声放大，共模抑制比一般，测量会存在很大的误差。
方案二：采用高精度仪表放大器INA114是一种通用的仪表放大器，尺寸小精度高，价格低廉，应用广泛。对于系统的前端放大电路用INA114只需要一个外部电阻就可以设置,电路简单。由于被测信号小，就要求前置放大器必须具备低噪声的特点，否则将由于放大器本身的噪声将使放大器的本身噪声将使信号淹没的更深。另外，还要考虑前置放大器具备足够的放大倍数，强的共模抑制比。综上，放大器信号通道要求具有低噪声和高效益的性能，而TI公司的仪表放大器IN114完美的达到了要求。增益在1--10000之间的任意增益值, 共模抑制比高（G＝1000时为50dB）,失调电压低，漂移小（0.25uV∕°C）测量精准。
2.相敏检测装置的选择
方案一：输出前的低通滤波器和直流放大器运用模拟电路来实现，电路简单操作容易，但是考虑到全局都用模拟来实现会带来较大误差。
方案二：相敏检测器与低通滤波器如果用数字检波模块来采集，会增加精准度，但是会有编程上的困难。
方案比较：
综上，我们选择方案二。虽然会有难度的增加，但是实验的精度却得以保证。我们设计的锁定放大器方案如下图

单片机
n(t)
图1 锁定放大器基本组成结构框图

交流
放大器
相敏检波器
直流放大器
低通滤波器
带通
滤波器
整形电路
多级移相器
方波调理
驱动
参考
输出
r(t)

信号
x(t)
信号通道
参考通道
S(t)
显示
R(t)

二、 设计原理及理论分析
2、锁相放大器的基本原理
相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数和的相关函数定义为：

它是度量一个随机过程在时间和两时刻线性相关的统计参数，如果和完全没有关系，则相关函数将是一个常数。
下面我们设有两个信号、为：

其中、为噪声，为待测信号为参考信号。则相关函数为：
展开得：

因为信号和噪声不相关，且噪声的平均值为零，所以都为零。
故。
这样我们可以看到，两个信号经过相乘和积分处理后就可以把噪声抑制，锁相放大器的核心就是根据这个原理设计的，见下图：

乘法器
积分器

参考信号为方波时：
由于方波可以傅里叶展开成余弦函数：，则：

锁定放大器的原理方框图，原理详解如下：
硬件设计
1、信号通道
信号通道由加法器、衰减网络、仪表放大器（一级）、多阶有源滤波器（二级）、调理电路组成。将用另一信号源产生一个频率为1050至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)亦可由与获得S(t)同样结构的电阻分压网络得到。对输入的幅度调制正弦信号进行交流放大，滤波处理。由低噪声前置放大器，有源带通滤波器，主放大器等部分组成。其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器的动态范围。此外，前置放大器的等效噪声阻抗要与信号源的输出阻抗相匹配，共模抑制比更高，已达到最佳的噪声性能。
⑴ 加法器
加法器由运放组成，有两个输入端，一个是信号输入端，另一个是噪声或干扰信号输入，把加法器和噪声混合起来，便于研究相敏检测。参考通道用于产生相干检测所需要的和被测信号同步的参考信号参考通道首先把和被测信号同频率的任何一种波形的输入信号转换为占空比为1:1的方波信号（为了抑制偶次谐波），其频率和输入移相器的参考信号的频率相同。

加法器仿真图如下

⑵ 衰减网络
衰减网络由两个电阻（分别为100Ω和1MΩ）组成,由两个阻值来改变衰减系数。
⑶ 交流放大器
该放大电路网络由TI公司生产的高精度仪表放大器INA114来作为第一级发大（放大100倍）和二级放大应用TI通用双运放OPA2237来实现（放大100倍）。

仪表放大器放大器信号通道要求具有低噪声和高效益的性能，而TI公司的仪表放大器IN114完美的达到了要求。增益在1--10000之间的任意增益值,,失调电压低，共模抑制比高（G＝1000时为50dB）漂移小（0.25uV∕°C）测量精准。
仪表放大器INA114的放大增益公式为：1+50k∕R1，
当R1为510欧姆时，放大倍数近似为100

⑷ 二阶有源带通滤波器
为了方便与简便我们设计了二阶带通滤波电路，要以f=1KHZ为中心频率，信号3db频带范围为900 HZ--1100HZ

二阶带通滤波器仿真图

频率(HZ)
幅度(mV)
850
530.084
900
702.120
950
898.245
1000
999.071
1050
879.322
1100
695.644
1150
558.923
1200
461.437

锁定放大器的等效噪声宽带Δf=200HZ
信号通道中常用的滤波器是中心频率为载波频率1KHZ频带为3dB的带通滤波器，在锁定放大器中，常采用低通滤波器和高通滤波器组合而成的带通滤波器。
2.参考通道
参考通道由整形电路（迟滞比较器）、多级移相器、调理电路组成。调理电路为方波以后将同步信号输入相敏检测部分，再经单片机分析，最后由输出显示。

3.跟随器仿真图 4.迟滞比较器

三、 测试方案与计算
相关器的PSD波形观察及输出电压测量
角度(度)
电压（伏特）
0
-1.616
30
-1.39
60
-0.804
90
0.0438
120
0.862
150
1.428
180
1.625

四、 测试结果

可信通道的大小
10uV—1mV
信号通道通带频率
920HZ—1080HZ
噪声信号
与S(t)信号 1:1叠加，频率为1090HZ.增加幅度为10S(t),S(t)的有效值误差小于10°

五、 程序设计
重要程序
//*******************************************
void main(void)
{
WDTCTL = WDTPW+WDTHOLD;

BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ; //设定cpu时钟DCO频率为1MHz
DCOCTL = CALDCO_8MHZ;

BCSCTL2 = DIVS_3;

P1DIR |= 0x40; // P1.6 LED输出
P1IE |= 0x10; // P1.4 中断使能
P1IES = 0x00; // P1.4 上升沿触发
P1IFG &= ~0x10; // P1.4 清除中断标志位
//****************************************
P1DIR = 0X2E;
P2DIR = 0XFF;
P2SEL = 0x00;
P1OUT&= 0xD1;
//***************************************
ADC10CTL0 = SREF_1 + ADC10SHT_1 + MSC + ADC10ON + ADC10IE + REFON + REF2_5V ;
//参考电压2.5V
// 内部电压参考器
//AD中断允许
//打开ADC10模块
//多次采样/转换控制
//AD采样保持时间4*ADC10CLK
//参考电压选择内部

ADC10CTL1 = CONSEQ_2 + INCH_0+ADC10SSEL_3+ ADC10DIV_7;
//ADC10时钟选择分频数4
//ADC10时钟源选择系统时钟
//A0通道
// 多次转换

ADC10AE0 = BIT0;// 使能模拟输入脚 A0

ADC10CTL0 &= ~ENC; //ADC不使能??其实这句话可以放在紧接着CPU唤醒之后的，因为CPU唤醒了，说明我们想要的
while (ADC10CTL1 & BUSY); // Wait if ADC10 core is active??等待忙
_EINT(); //打开中断

while(IO_flag==0);
IO_flag=0;
P1IE = 0x00; // P1.4 中断使能

ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; // Sampling and conversion
start???ADC使能，开始转换 ADC10SC为采样触发源

参考文献
《微弱信号检测》 高晋占编著 清华大学出版社 2004年

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