锁定放大器的设计

1、 摘要本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，由信号通道电路，参考通道电路，相敏检波器，输出显示部分组成。其中信号经电阻分压网络生成微小信号，再经过放大和参考通道的方波输入到AD630,AD630再输出直流量给单片机采样显示。经测试，本系统能准确测量出强噪声背景下范围为10uf-1mV的微弱信号，并在液晶准确显示，基本完成了题目要求。本系统分压网络由精密电阻搭建的型分压网络，简单快捷，稳定性高，移相运用了有源移相网络，实现了0到360度连续调节。检测显示模块利用高性能MSP430单片机和高精度模数转换器ADS1118进行采样并经12864显示，美观大方。关键词 微弱信号 相敏检波器 MSP4

2、30 目录1. 设计任务11.1任务11.2基本要求12.方案论证22.1交流放大器22.2带通滤波器22.3相敏检波器22.4移相器22.5软件方案选取32.6系统整体方案32.7系统总体框图33.理论分析计算33.1硬件电路的设计原理33.1.1信号通道电路的设计33.1.2参考通道触发整形电路的设计43.1.3相敏检波器的设计53.1.4低通滤波器的设计6 3.2单片机控制与系统任务的设计与选取64. 测试结果与误差分析74.1测试仪器：74.2测试分析74.2.1 衰减器测试74.2.2 移相器测试74.2.3带宽测试7 4.2.4 微弱信号的测量7 4.2.5 结论与误差分析85.

3、结论、心得体会86. 参考文献81设计任务11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一。图一: 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触发整形移相器方波驱动参考输出r(t)信号x(t)信号通道参考通道S(t)显示R(t)12344.112基本要求（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 10V1mV。（5分）（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)可连续调节或步

4、进移相180度，步进间距小于10度。（20分）（3）信号通道的3dB频带范围为900Hz1100Hz。误差小于20%。（10分）（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%。（15分）（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。（5分）（6）用另一信号源产生一个频率为10502100Hz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。锁定放大器应尽量降低n(t)

5、对S(t)信号有效值测量的影响，测量误差小于10%。（20分）（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%。（20分）2方案论证2.1交流放大器方案一：采用单级低噪声放大，能够很好的抑制噪声。但是考虑到前级衰减网络耳朵衰减倍数，一级放大倍数会很大，无法达到低噪的效果。方案二：采用两级放大，前级用仪表放大器，后级用低噪放大器。仪表放大具有很高的共模抑制比，在很高的放大倍数下依然能够有很好的噪声抑制性能。综上，为了达到很高的放大倍数且有足够好的噪声抑制性能，选择方案二。2.2带通滤波器方案一：采用四阶巴特沃兹多路反馈型带通滤波器。该滤波器滤除杂波

6、，但是滤波器设计复杂，且对电电容取值极为敏感，调试略微复杂，且面积较大。方案二：采用集成滤波器。该滤波器设计简单，只需调整很少的参数，就能获得很好的滤波效果，电路设计简单，且占用很少的面积。综上，为了减少面积和降低设计复杂程度，采用集成滤波器做前置滤波，以很好的抑制噪声。2.3相敏检波器方案一:采用模拟乘法器和低通滤波器组成的相敏检波器，能够很好的实现相干检测，但是考虑到信号的动态范围，而模拟乘法器动态范围太小。方案二：采用开关模拟乘法器和低通滤波器能够很好的解决输入信号的动态范围并且实现相干检测。综上，考虑到为了实现较大的动态范围，选择开关乘法器。2.4移相器方案一：数字移相。数字移相能够更

7、方便的控制移相大小。但是不增加工作量，相位步进不好控制。方案二：有缘RC移相器。RC移相器不仅解决幅度改变带来的相位变化，而且连续可调。电路设计简单。综上，考虑到电路设计复杂度和测量准确度，选择方案二。2.5软件方案选取方案一：选取STM32作为微处理器，处理器内部具有ADC，优点为转化速率快，缺点是STM32内部AD为12位或8位（可软件选择），且参考电压为最小系统的稳压芯片提供，所采的电压值并不精准。故需采用外部ADC来进行采样。方案二：选取MSP430F5529作为微处理器，该处理器优点为低功耗，缺点为转化速率较慢。采用外部高精度AD芯片ADS1118作为模数转换考虑到整个系统的设计，软

8、件设计任务包括ADC的驱动，LCD液晶QC12864B的显示。MSP430F5529完全可以胜任这项任务。并且MSP430F5529的低功耗性能也可以减小整个系统的功耗，使整个系统更具有稳定性。本系统对于ADC芯片的精度要求十分严格，而对ADC的转化速率没有太大要求，ADS1118的转化速率为860次每秒（SPS），内部带有可编程增益放大器，可以选择较小的量程以提高采样精度。综合考虑，我们选用MSP430F5529作为微处理器，ADS1118作为外部ADC来对系统产生的直流进行采样。2.6系统整体方案：系统采用衰减器把微弱信号送进输入级，经低噪放大，带通滤波送进开关乘法器信号输入端，再由参考通

9、道产生方波驱动开关乘法器，利用相干检波滤除直流分量，再由ADC采集信号并由液晶显示屏显示。2.7系统总体框图3.理论分析计算3.1硬件电路的设计原理 3.1.1信号通道电路的设计 信号通道电路包括两路衰减器，加法器，交流放大器，带通滤波器。当不加干扰信号时，关闭N(t)信号通道，直接测量显示；叠加干扰信号，直接打开N(t )通道，输出干扰信号，测量即可。如图二所示：衰减器由型分压网络组成。考虑到阻抗匹配，设定输入输出电阻为50，其衰减倍数设定为500倍，则R1=R14=25K.加法器要求能实现s (t)与干扰信号n(t )叠加，采用反相加法器可实现此功能。由于进入加法器信号为微弱信号，受噪声影

10、响大，故采用低噪声运放opa227,本设计中增益设计为1，所以取R2=R7=R10=1K。交流放大器部分第一级采用INA128放大100倍，INA128是TI公司生产的低噪声仪表放大器，器输入噪声系数En=8Nv/HZ。性能极为优越。其计算公式：Au=1+50k/Rg 所以当Au=100时，取Rg=505。第二级采用低噪声放大器OP37设计的同相比例放大电路。根据同相比例电路原理：当Au=10时，取R8=1k，Rf=10k。带通滤波器采用TI公司生产的通用有源滤波器UAF42。该芯片电路设计简单，只需参照TI官方芯片资料计算和选取参数，即能设计符合要求的带通滤波器。这里我们设计中心频率1KHz

11、通频带为200Hz。参考取值;R13=6.2k,R12=R18=162k 。 图二：信号通道电路3.1.2参考通道触发整形电路的设计 如图三所示，参考通道触发整形电路由两级有源移相网络和方波发生器组成。为实现r（t）的相位相对参考信号R(t)可连续调节180度，采用两级级联有源移相电路，通过两级运放，可轻松实现0到180度移相，实际运用中电路实现了接近0到360度连续调节，通过计算，取R1=R2=R3=R4=10K，C2=C3=104,两滑动变阻器取20K，芯片选用通用型运放OP07。方波电路采用LM311典型应用电路：过零比较器。由于LM311在比较器的输出端上拉电阻两端并接一个容量适当的电

12、容, 对滤除和减弱振荡有显著效果。电容的容量应在实验的基础上确定。电容的容量不宜太大, 否则会使输出脉冲的前沿变坏。而加入电容后会使方波上升沿变缓，这里加入稳压管做箝位电路。图三：参考通道触发整形电路3.1.3相敏检波器的设计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。设输入信号为：参考信号方波为：相乘后的结果：上式左边为差频分量，右边为和频分量。当信号经过低通滤波器时。N1的差频分量和和频分量就会全部滤除。从而得出直流分量：这时，只要我们调整相位差为

13、0，则输出的直流分量最大，从而可以由单片机采集和输出。我们采用集成开关模拟乘法器AD630作方波和正弦信号的调制，其电路原理图如下：图四：模拟开关乘法器3.1.4低通滤波器的设计为了实现更好的带外衰减幅度，采用两级低通滤波器级联。因为是滤除直流分量，所以第一级的截止频率设定为f1=10Hz，f2=5Hz。根据低通滤波器原理：分别取R1=16K，R2=3.3K；C1=1Uf，C2=10Uf。电路图如下：图五：低通滤波器3.2单片机控制与系统任务的设计与选取一单片机通过外部AD：ADS1118来进行数模转换。根据输入和输出的比例关系来进行数值校订。TI的ADS1118的转化速率为860次每秒（SP

14、S），内部带有可编程增益放大器，可以选择较小的量程以提高采样精度.以下为软件流程图：4.测试结果与误差分析4.1测试仪器:序号仪器名称仪器型号1泰克示波器TDS30352B2安捷伦万用表34401A3安捷伦信号发生器3352A4.2测试分析4.2.1 衰减器测试： 信号源输出500mvrms正弦信号时，用安捷伦万用表测得衰减网络输出1mvrms，故衰减倍数为500倍。4.2.2 移相器测试：用泰克示波器显示输入正弦波与输出方波相位差。通过改变移相网络中的两个滑动变阻器阻值，实现了0度到360度连续可调。4.2.3带宽测试：调整信号源频率初始频率为1Khz，带通滤波器输出为1Vmrs。调整信号频

15、率，观察并记录，结果如下表：上限截止频率下限截止频率测量值/Hz9021104标准值/Hz9001100误差0.2%0.36%结果分析：带通滤波器的通频带在902Hz1104Hz，完全满足测试要求。4.2.4微弱信号的测量： 测量方法：调节信号源的输出电压，观察并记录液晶显示的数值。结果如下表：系统输入电压/uVrms10004002001008060402010显示电压/uVrms1040.5420.7214.8104.282.458.837.318.29.0 当叠加干扰信号时，输入到加法器通道一为1000Hz ,1mvrms信号不变，通道二为干扰信号，结果如下表：干扰信号频率显示值干扰信号

16、幅度 1mvrms 10mvrms 1050Hz 1048.5mvrms 1091mvrms 2000Hz 1045mvrms 1060mvrms 结果分析：无论是否叠加干扰信号，测量结果完全符合题目要求。4.2.5 结论与误差分析 由以上测量数据可知，基本所有测量结果误差均低于5%，但加入1:10噪声后，测量误差变大，接近10%。误差的来源可能是：1. 电阻的阻值不是标准的标称值。2. 电路会有分布电容，分布电感，所以会影响测量结果。3. 由于当初校准的时候使用不同仪器进行校准，所以用新的仪器测量时，可能会改变误差。5.结论、心得体会这次TI杯比赛，本组成员学到很多。在这个过程，我们对题目的分析与设计能力，对电路的制作与探究能力，都得到了很大的提升。深刻的理解了锁定放大的原理及在微弱