1、2014年天津市大學生電子設計大賽【本科組】鎖定放大器的設計報告摘 要鎖定放大器是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（或者倍頻）、同相的噪聲分量有響應。因此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比。此外，鎖定放大器有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單，是弱光信號檢測的一種有效方法。本次設計是基于鎖定放大器的微弱信號檢測裝置，用來檢測在強噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號的幅度值。該次設計是由加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡、參考信號輸入電路、微弱信號檢測電路和顯示電路組成。其中微弱信號檢測電路由前置放大、帶通

2、濾波、鑒相器、移相器、比較器、低通濾波、放大器構成。同相放大電路構成的加法器將噪聲信號加到待測信號中，使信號淹沒在噪聲中，然后經(jīng)過衰減器衰減100倍以上，送到微弱信號檢測電路中。微弱信號檢測以相敏檢波器為核心，將參考信號經(jīng)過移相電路和比較器輸出方波驅(qū)動開關管乘法器，輸出直流信號經(jīng)單片機ADC轉(zhuǎn)換，最終在液晶顯示屏上顯示出來。關鍵字：鎖定放大器；微弱信號檢測；相敏檢測 目 錄摘 要21 系統(tǒng)方案設計31.1方案選擇與論證31.2設計思路與原理框圖42 鎖定放大器硬件設計42.2加法器的設計52.3 交流放大器的設計72.4帶通濾波器的設計82.5 移相器的設計102.6 方波驅(qū)動電路的設計132

3、.6 相敏檢波器的設計142.7 低通濾波器的設計172.8 直流放大器的設計182.9 顯示模塊設計193 鎖定放大器軟件設計224 系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)結果234.1 測試儀器234.2測試方案23附錄1：電路原理圖24附錄2:元器件清單26附錄3：參考文獻261 系統(tǒng)方案設計1.1方案選擇與論證 常用的微弱信號的檢測方法有：直接濾波，積分取樣，鎖相放大等。 方案1：直接濾波 由于檢測的微弱信號混在噪聲之中，如果直接使用濾波的方法，因為噪聲肯定含有和被測信號相同的頻率，所以容易導致被測信號衰弱或者濾掉的結果，當檢測的微弱信號混在噪聲中時, 噪聲含有和被測信號相同的頻率，如果直接使用濾波的方法，容易導致

4、被測信號衰弱或者濾掉，從而無法進行正常的檢測。所以，直接濾波的檢測方法實際效果不甚理想，不宜采用。 方案2：取樣積分 取樣積分是利用周期性信號的重復特性，在每個周期內(nèi)對信號的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器算出平均值，因為信號提取是經(jīng)過多次重復的，而噪聲多次重復的統(tǒng)計平均值為零，所以可以很好的提高信噪比，被噪聲淹沒的信號波形可以很好的顯現(xiàn)出來。但是取樣積分器測一個波形需要花很長的時間，時間效率低。另外它要求信號必須與觸發(fā)脈沖同步。綜上所述，此法要求較多，實現(xiàn)起來比較復雜，故不采用此法。 方案3：鎖相放大 鎖相放大器是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器。它有三個特點：1、用調(diào)制器將直流或漸變信號調(diào)

5、制，進行交流放大，可以避免噪聲的不利影響；2、利用相敏檢測器實現(xiàn)對調(diào)制信號的解調(diào)，同時檢測頻率和相位，噪聲與信號同頻又同相的概率很??；3、利用低通濾波器來抑制噪聲，低通濾波器的頻帶可以做的較窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也大大地提高。本次設計采用此法。1.2設計思路與原理框圖 微弱信號檢測是一門新興的技術學科。它利用電子學、信息論和物理學的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號的特點和相關性，檢測被噪聲淹沒的有用的微弱信號。 本設計采用模擬方法實現(xiàn)微弱信號的檢測。通過加法器將被測的微弱正弦信號和噪聲相疊加，模擬出微弱信號被淹沒在噪聲的現(xiàn)象，進而進行微弱信號的檢測。通過分壓電

6、阻網(wǎng)絡減小噪聲幅值，有利于后續(xù)電路的處理。接著通過微弱信號檢測電路，通過處理最后輸出直流量并進入到單片機進行處理。通過芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊，同時編寫顯示程序，最終將被測微弱信號顯示到LCD顯示屏上。鎖定放大器基本組成結構框圖如下圖1：圖1-1 鎖定放大器基本組成框圖2 鎖定放大器硬件設計2.1電阻分壓模塊 電阻分壓網(wǎng)絡有串聯(lián)分壓和型網(wǎng)絡，型網(wǎng)絡性能較好，適合在高頻的條件下工作，而本題目要求的電壓范圍較小，故本設計采用電阻串聯(lián)來作為分壓網(wǎng)絡。由于需要進行精確的進行分壓，普通電阻阻值誤差較大，大約為5%，精密電阻的誤差僅僅為0.01%，因此采用精密電阻和電位器接成電阻分壓網(wǎng)絡，確保精確的分壓系

7、數(shù)。圖2-1 純電阻分壓網(wǎng)絡電阻采用無感電阻，是為了防止電阻的產(chǎn)生的高斯白噪聲對后級電路產(chǎn)生影響。純電阻分壓網(wǎng)絡衰減系數(shù)A，A=(Rv14+R21)/R21。測試后電阻Rv2=200K,Rv3=2K，A=1012.2加法器的設計2.2.1 加法器電路設計 本設計加法器由INA2134搭建設計電路圖如圖3：圖2-2 加法器電路2.2.2 加法器的測試結果 經(jīng)過測試得： A：噪聲源輸出V的有效值輸出為:1.02V B：加法器的波形： 無明顯失真 ；帶寬：3dB C：參考信號的衰減系數(shù)：102 D：參考信號的輸入阻抗：2.9M V n(t):VS(t)=1:1疊加，測試結果見表1：輸入信號參考信號輸

8、出信號幅度/V頻率/KHZ幅度/V頻率/KHZ幅度/V誤差%10uV1.2KHZ10uV1KHZ19.8uV1%100uV1.5KHZ100uV1KHZ200.6uV3%1mV1.8KHZ1mV1KHZ2.04mV2%表1 加法器測試結果 V n(t):VS(t)=1:10疊加測試結果見表2:輸入信號參考信號輸出信號幅度/V頻率/KHZ幅度/V頻率/KHZ幅度/V誤差%100uV1.2KHZ10uV1KHZ111.5uV13.6%1mV1.5KHZ100uV1KHZ1.08mV18.2%10mV1.8KHZ1mV1KHZ11.06mV5.4%表2 加法器測試結果2.3 交流放大器的設計2.3.

9、1 交流放大器的方案設計 方案一：使用可編程運放PGA202,PGA203通過增益的不同組合實現(xiàn)對輸入信號范圍1uV100mV的選擇性放大，但是編程比較復雜。 方案二：使用常用運放INA218通過開關控制實現(xiàn)放大倍數(shù)為10，1000,100000的變化，對輸入信號范圍1uV100mV分別進行不同選擇的放大。電路設計和使用都比較簡單。兩者比較起來，由于后者電路設計和使用都比較簡單，所以本設計中采用開關控制對不同信號選擇性放大。2.3.2 交流放大器的電路設計圖2-3 交流放大器電路2.3.3 交流放大器的測試結果 信號源產(chǎn)生頻率為1kHz，10mV-1V的參考正弦信號R(t)，輸入信號為1kHz

10、，10uV1mV的正弦波S（t）。 測試方法： A：用信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度為1V，1kHz的參考正弦信號，輸入信號為10uV， 1kHz通過100000倍的放大后為1V。 B：用信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度為1V，1kHz的參考正弦信號，輸入信號為100uV，1kHz通過1000倍的放大后為0.1V。 C：用信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度為1V，1kHz的參考正弦信號，輸入信號為1mV，1kHz通過1000倍的放大后為1V。測試結果如表2所示：輸入信號參考信號輸出信號幅度/V頻率/KHZ幅度/V頻率/KHZ幅度/V誤差%10uV1kHz1V1kHZ0.95V5%100uV1kHZ1V1kHZ0.12V2%1mV1kH

11、Z1V1kHZ1.2V4% 表2 S（t）交流放大測試結果2.4帶通濾波器的設計2.4.1帶通濾波器的方案設計方案一：采用3個OPA4227和電阻電容來設計帶通濾波器，通過在測試信號電路的前級電路放置帶通濾波電路，先對混合信號進行預處理，接著再對信號進行處理。方案二：采用美國Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源濾波器UAF42，具有很高的精度，通過改變UAF42的電路參數(shù)可以構成高通、低通、帶通、帶組濾波器。經(jīng)比較，UAF42更適合我們的精度要求，而且電路簡單，所以我們選擇方案二。2.4.1帶通濾波器的電路設計UAF42具有以下特點：1、 通用性強，可根據(jù)需要設計成高通、低通、帶通和

12、帶組濾波器；2、 設計簡單。BB公司還為UAF42專門設計了一個軟件，從而可以方便靈活地設計各種不同類型的濾波器。3、 具有高精度頻率和高Q值；4、 片內(nèi)集成有100pF5%的電容。 其內(nèi)部結構圖如圖2-4所示：圖2-4 UAF42的內(nèi)部結構圖 利用UAF42設計的帶通濾波器電路如圖2-5：圖2-5 帶通濾波器電路2.4.1帶通濾波器的測試結果帶通濾波器3dB頻帶范圍為900Hz1100Hz，測試結果見表3： 輸入信號參考信號輸出信號幅度/V頻率/KHZ幅度/V頻率/KHZ幅度/V誤差%10uV1Kz1V1KHz10.12uV12%100uV1Kz1V1KHz101.4uF14%1mV1Kz1

13、V1KHz1.10mV10%表3 帶通濾波器測試結果2.5 移相器的設計2.5.1 方案設計 因為檢測電路選擇了鎖相放大器，而移相網(wǎng)絡是鎖相放大器中的一部分，在此進行分析。 方案一：采用全通濾波器模擬移相電路，三級濾波，每一級將電位器全調(diào)到零。當把第一級的電位器逐步調(diào)到最大時，全通濾波器的移相范圍逐步超過90度但不超過180度，當把第二級電位器逐步調(diào)到最大時，全通濾波器的移相范圍超過180度但不足360度，當把第三級電位器調(diào)到最大時，全通濾波器的移相范圍達到360度，這樣就可以實現(xiàn)0到360度的相移。 方案二：采用數(shù)字移相方法，數(shù)字移相可以在4個象限內(nèi)進行089的調(diào)節(jié)，合起來即實現(xiàn)了0360的

14、移相，由集成芯片控制頻率和相位預值，如用CD4046鎖相環(huán)組成。 方案一與方案二相比，電路簡單可靠，且方案二增加了電路的復雜度，成本也很高。故選擇方案一。2.5.2 移相器電路設計圖2-6 移相器電路 因為輸出信號與信號的相位差有關，所以必須加入移相網(wǎng)絡。移相是指兩種同頻的信號，以其中一路為參考，另一路相對于該參考做超前或滯后的移動，即稱為相位的移動。由方案論證得，本設計采用模擬移相電路。模擬移相電路其實就是一個全通濾波電路，它的放大倍數(shù)Au=（-1+jw*RC）/(1+jw*RC)，寫成模和相角的形式為：|Au|=1,=180-2arctan（f/f0） 其中f0=1/（2RC）。每個濾波器

15、相移范圍均接近120，所以本設計采用三個一階濾波器串聯(lián)（如上圖所示），使得整個移相電路能做到接近360的相移范圍。2.5.3 移相器測試結果 參考通道的輸出r（t）為方波信號，r（t）的相位相對參考信號R（t）連續(xù)移相。本次移相數(shù)據(jù)共測試兩次。測試結果如表1所示：測試次數(shù)測試對象未移相一級移相二級移相三級移相第一次移相變化0度129度262度400度所耗時間0 uS350uS710uS1.08mS第二次移相變化0度129度277.7度429度所耗時間0 uS350uS710uS1.16mS表1 移相模塊測試結果移相過程：1、未移相時的波形2、 第一級移相的波形3、 第二級移相的波形第三極移相的

16、波形圖2.6 方波驅(qū)動電路的設計 本設計采用由運放uA741組成的過零比較器來產(chǎn)生方波，設計電路如圖：圖2-7 方波驅(qū)動電路2.6.1 方波驅(qū)動電路的測試結果2.6 相敏檢波器的設計2.6.1 方案設計 在本設計中采用AD公司生產(chǎn)的AD630，這是一款高精度的平衡調(diào)制器，內(nèi)部電阻均是高穩(wěn)定度的SiCr薄膜電阻，保證了其工作的精確性和穩(wěn)定性。它的信號處理應用包括平衡調(diào)制和解調(diào)、同步檢測、相位檢測、正交檢波、相敏檢測、鎖定放大和方波乘法等。AD630邏輯圖如下圖所示，其內(nèi)部可以被認為是集成了兩個前置放大器，一個用來選通前置放大器的精密比較器，一個作為多路選擇開關以及輸出級積分運算放大器。擁有高切換

17、速度和快速穩(wěn)定的線性放大器，由于比較器的響應時間快速，可使開關失真降至最低。此外，還有極低的通道間串擾。AD630通常用于高精度的信號處理以及動態(tài)范圍寬的儀器設備。在鎖相放大電路中，當其用作同步解調(diào)器時，可以恢復在100 dB噪聲背景下的微弱信號。AD630最優(yōu)的工作頻率是在1 kHz，故注入蓄電池的信號和參考信號選為1 kHz，同時1 kHz也處于適宜的電池內(nèi)阻頻率響應范圍，不過其在零點幾兆赫茲時仍然可正常工作。其內(nèi)部結構圖如圖2-8：圖2-8 AD630的內(nèi)部結構圖 作為模擬放大器，AD630顯示了輸入電壓信號在某個狹窄頻帶內(nèi)的分量，該頻帶圍繞基準信號的頻率。 AD630輸出端的低通濾波器

18、能獲得關于微弱信號振幅的信息，它原本被無關的噪聲掩蓋了。當輸入電壓與基準電壓同相時，低通濾波器的輸出VOUT具有最大振幅。相反，如果輸入電壓與基準電壓正交，則輸出電壓在理想情況下將為0V。這樣，如果可獲得同相基準信號和正交基準信號，則兩個平衡解調(diào)器顯示同相輸出電壓為0，正交輸出電壓為90。計算模移和相移，方法如下：2.6.2 相敏檢波電路的設計 采用AD630作為乘法器實現(xiàn)的相敏檢測電路原理圖如圖8所示。輸入信號為一路待檢測信號和一路參考信號。待檢測信號通過1腳送入，參考信號通過10腳輸入到比較放大器。待檢測信號在器件內(nèi)部根據(jù)載波信號的正負進行翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了開關乘法功能。 圖2-9 相敏檢波器電

19、路 工作過程如下：設輸入信號為。參考輸入時幅度為的方波，其周期為，角頻率為，根據(jù)傅里葉分析的方法，這種周期性函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)可得的傅里葉級數(shù)表示式為上式右邊第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過LPF的濾波作用，的差頻項及所有的和頻項均被濾除，只剩的差頻項為當方波幅度時，可以利用電子開關實現(xiàn)方波信號的相乘過程，即當為時，電子開關的輸出連接到；當為時，電子開關的輸出連接到，這時LPF的輸出為當經(jīng)過開關乘法器，角度之差為0時，輸出信號最大。2.6.2 相敏檢波測試結果2.7 低通濾波器的設計2.7.1 低通濾波器的方案設計方案一：使用現(xiàn)成的濾波器芯片，如Maxim公司的開關電容濾波器芯片MA

20、X262，可以實現(xiàn)低通，高通和帶通濾波器，中心頻率范圍可以從DC到140KHz，能很好的實現(xiàn)題目的要求。方案二：采用狀態(tài)可調(diào)濾波器，用2個運放和電阻電容來組成，電路比較簡單，而且可以實現(xiàn)低通、帶通、高通三種輸出?？梢允褂孟葲Q定Q值的電阻和決定中心頻率的電容，通過不同的電阻來切換中心頻率，以達到截止頻率為1K20KHz。比較兩個方案，方案一可以很好實現(xiàn)題目要求，但調(diào)試起來較為麻煩，技術要求高，方案二電路形式簡單易行，可快速制作，故采用方案二。2.7.2 低通濾波器的電路設計為了最后輸出為直流量便于單片機能夠接受，在輸出前級加上低通濾波器進行濾波得到直流量。且低通濾波器的截止頻率較低為好。在低通濾

21、波器電路中，由f1/2RC1.6，其中R1=1M，C=1uF。用于低通濾波器的運放為OPA4227。圖2-10 低通濾波器電路2.7.2 低通濾波器的測試2.8 直流放大器的設計能放大直流信號的放大器叫直流放大器。直流放大器常用于測量儀表。直流放大器的類型很多。直接耦合的單管放大器是最簡單的一種，利用成對晶體管或場效應晶體管構成的差分放大器是一種零點漂移較小的直流放大器，常用于集成運算放大器的輸入級和中間級。所以本設計采用OPA4227直接耦合的方式設計電路圖。直流放大器常用于測量儀表。圖2-11 直流放大電路設計2.9 顯示模塊設計2.9.1 有效值檢測方案選擇方案一：采樣計算法。此方法是對

22、周期信號進行快速采樣，獲得很多個離散值，存儲在內(nèi)存中再利用計算機的運算功能，按有效值數(shù)學定義：=進行運算。此方案雖然轉(zhuǎn)換精度高，但是技術要求高，造價也高，不適合用于多位數(shù)字表的設計。方案二：模擬直接運算變換法。根據(jù)有效數(shù)學定義用集成組件乘法器、開方器等依次對被測信號進行平方、平均和開方等計算，直接得出輸入信號的有效值。在這種電路設計中，當輸入信號幅度變小時，平方器輸出電壓的平均值下降很快，輸出幅度很小，往往與失調(diào)和漂移電壓混淆，因此該電路動態(tài)范圍很窄，精度不高。方案三：單片集成有效值轉(zhuǎn)換組件法。對數(shù)放大器轉(zhuǎn)換是利用晶體管PN結平方律傳遞關系而成的。單片集成電路AC/DC真有效值轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集

23、成了實現(xiàn)算法求取有效值的各種電路，能將任意波形的交流電壓信號直接轉(zhuǎn)換成與其有效值成比例的直流電壓，而不必考慮波形參數(shù)和失真度的大小。并且AD637對輸入200mv帶寬可達1MHz，2v以上輸入時帶寬可達8MHz，輸入200mv以下時可以前置放大電路，且使用緩沖模式輸入阻抗可達100M歐，因此AD637完全可以勝任題目要求。比較以上三種方案，采用方案三進行AC/DC真有效值轉(zhuǎn)換，電路簡單，而且在理論上能保證較高的精確度，性價比較高，具有實際的參考價值。電路圖如圖9所示。2.9.2 顯示電路設計在此模塊中我們選用AD637進行AC/DC真有效值轉(zhuǎn)換，因為它是一款完整的高精度、單芯片均方根直流轉(zhuǎn)換器，可計算任何復雜波形的真均方根值。它提供集成電路均方根直流轉(zhuǎn)換器前所未有的性能，精度、帶寬和動態(tài)范圍與分立和模塊式設計相當。圖2-12 有效值檢測電路圖2-13 液晶顯示電路2.9.3 測試結果有效值顯示值誤差3 鎖定放大器軟件設計 液晶顯示部分程序設計流程圖如下圖所示。圖3-1 程序流程圖4 系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)結果4.1 測試儀器儀器型號多功能函數(shù)信號發(fā)生器 SG1646A 電源 DF1731四位