简易锁相放大器的设计

1、锁相放大器的原理锁相放大器 L 队(Lock in Amplifier ，简称 L 队 ) 就是利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪。 它是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。在测量中，噪声是一种不希望的扰乱信号， 它是限制和影响测量仪器的灵敏度的白噪声和 1f 噪声的低频噪声。这些噪声是无法用屏蔽等措施消除的。为了减少噪声对有用信号的影响， 常用窄带滤波器滤除带外噪声， 以提高信号的信噪比。但是，由于一般滤波器的中心频率不稳， 而且带宽和中心频率以及滤波器的 Q值有关等原因， 使它不满足更高的滤除噪声之要求。 根据相关原理， 通过乘法器和积分器串联，进行相关运算，除去噪声干扰

2、，实现相敏检波，锁相放大器采用互相关接受技术使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级。 另外，还可以用斩波技术， 把低频以至直流信号变成高频交流信号后进行处理， 从而避开了低频噪声的影响。锁相放大器抑制噪声的性能如下：国内外生产的锁相放大器的等效噪声带宽厶在103Hz 数量级，少数的可以达到 4×104Hz，信号带宽 255× 106Hz，可见，仪器具有非常窄的信号和噪声带宽，通常带通滤波器由于 Q值的定义，常规滤波器很难达到一些性能。 而锁相放大器被测信号和参考信号是同步的， 它不存在频率稳定性问题， 所以可以把它看成为一个“跟踪滤波器 " 。它的等效 Q值由低通

3、滤波器的积分时间常数决定，所以对元件和环境的稳定性要求不高。 研究表明，锁相放大器使信噪比提高一万多倍即信噪比提高了 80dB 以上。这足以表明，采用相关技术设计的锁相放大器具有很强的抑制噪声能力。目前锁相放大器有如下特点： 极高的放大倍数， 若有辅助前置放大器， 增益可达 101l( 即 220dB)，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，满刻度灵敏度达 pV、 nV 甚至于 pV 量级。由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声性能。 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。因此

4、，这实际上不符合常规放大器的功能。 在国外常把这类仪器称为锁相放大器。可理解为把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。 因此，将锁相放大器称为“锁定检测仪 " 或“同步检测仪 " 或许更为确切。但目前国内都称为“锁相放大器 " 或“锁定放大器 " 。1锁相放大器通常分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器，而两种类型的L队各有优缺点。常用的模拟锁相放大器虽然速度快， 但是参数稳定性和灵活性差，且在与微处理器通讯的时候需要转换电路；传统数字锁相放大器一般使用高速ADC对信号进行高速采样，然后使用比较复杂的算法进行锁相运算，这对微处理器的速度要求很高。为了

5、大幅度提高检测下限和测量灵敏度，不仅要减少测量系统的噪声， 而且要能从噪声中提取信号，故采用的新思路，进行相干检测。其基本思想是：1) 首先使测量系统的主要部分， 避开噪声功率密度大的地方， 从而使输入噪声较小。已知在低频区， 闪烁噪声可以比自噪声高出数倍、 数十倍、甚至数百倍。因此，要设法使信号不失真的从低频区移出 (1 F 角以外 ) 。2) 对不同的频率信号， 应该设法将其移频至固定中心频率， 这样就可以使用固定中心频率，固定频带的 BPF。3) 从信号与噪声的特征对比可以看出， 信号与多数噪声有频率和相位两个方面的不同。 BPF只是利用频率特征的识别。因此，如果再利用相位特征的识别，将

6、可把同频率、 不同相位的噪声大量排除。 在光学中，对频率和相位都进行区分的方法称为相干法， 故这种检测方法叫相干检测， 在电子学中， 这种检测方法称为锁定相位。把上述三种设想加以实施， 而完成频域信号相干检测的系统， 称为锁相放大器 (Lock illAmplifier ，简写 LIA) 。其框图见图 2-1 所示。各部件的功能是：信号通道把输入信号选频放大 ( 初步滤除噪声 ) 后，输入给相关器： 参考通道在触发信号的同步下， 输出相位可调节的、 与输入信号同频率的参考波形； 相关器对两路信号进行运算，然后对结果处理并输出 .图 2-1 锁相放大器原理框图2研究与分析3.1 参考信号产生的方

7、法比较与选择参考信号（ Reference Signal,RS ）, 就是常说的“导频”信号，是由发射端提供给接收端用于信道估计或信道探测的一种已知信号。 要产生一定频率范围的正弦波参考信号主要有三种方法：通过 C51 控制 MAX038产生正弦波，或通过C51控制 DDS产生正弦波 , 直接由 C51产生正弦波。三者比较起来， 由于单片机直接控制输出正弦波，电路简单便于实现， 调试容易，所以在本设计中采用单片机来作为产生参考信号的波形发生器。3.2 前端放大器的设计方案一：使用可编程运放 PGA202,PGA203通过增益的不同组合实现对输入信号范围 1uV100mV的选择性放大，但是编程比

8、较复杂。方案二：使用常用运放 OPA2335，OPA132的组合通过开关控制实现放大倍数为 10， 1000,100000 的变化，对输入信号范围 1uV100mV分别进行不同选择的放大。电路设计和使用都比较简单。两者比较起来， 由于后者电路设计和使用都比较简单， 所以本设计中采用开关控制对不同信号选择性放大。3.3 移相方法比较与选择方案一：数字移相：数字移相可以在4 个象限内进行 089°的调节，合起来即实现了 0360°的移相，由集成芯片控制频率和相位预制，如用CD4046锁相环组成，但是增加了电路的复杂度，成本也很高；方案二：模拟移相：模拟移相电路采用阻容式移相电路

9、。优点是电路简单可靠，缺点是相角可调范围只有180°，但是可以通过级联的方式使相移范围达到360°。两者比较起来，由于后者电路简单可靠，所以本设计中采用模拟移相。33.4 相敏检波器的方法比较与选择方案一：集成模拟乘法器：模拟乘法器调试复杂，价格较高，且要求保证动态范围大，线性好等，较难实现；方案二：开关式乘法器：开关式乘法器具有价格低廉， 基本无需调试等优点，是一种较为实用的相敏检波器。两者比较起来， 由于后者具有价格低廉， 基本无需调试等优点， 所以本设计中采用开关式乘法器。4系统设计4.1总体设计输入微弱信号经过开关控制运放 OPA2335和 OPA132的级联实现选

10、择性放大，经过低通滤波器后滤除部分噪声， 与参考信号一同进入相敏检波器进行互相关运算，输出信号经过低通滤波器后将交流信号滤掉， 只剩下直流信号经过放大后送入 AD采样，单片机处理后输出到显示器；参考信号由单片机控制DDS产生，经过移相电路后进入相敏检波器。放大器低 通 滤相 敏 检低 通 滤输入信号波器波器波器移相器参考信号放大器图 4-1 锁相发达器的流程图4.2 硬件设计前置放大器的设计：5VCCVCCR73V5C11M|?U1R8U3987C2 1M|?U2R9J13747C31M|?3100nFKey = Space6332624100nF64100nF2R442710990k|?R5

11、1161 R6990k|?J2R390k|?R2R1Key = Space10k|?10k|?10k|?01412VEEJ3-3VVEE13Key = Space图 4-2-1前置放大器的设计图如图 4-3-1 所示： 1,J2,J3 为单刀双掷开关， 向右接通电路， 向左起到了前一级放大出口与下一级入口相连的作用。 三个开关从上到下分别控制着放大倍数为 100000 倍，1000 倍，10 倍三个档位， 并且每个开关当且仅当在放大自己的倍数时打开，即向右。在第一级放大电路中，有 R4=990K ? ，R3=10K ?, 则其放大倍数为 1+R4/R3=100，在第二级放大电路中，其放大倍数同

12、理也为100 倍，第三级放大电路中，其放大倍数为10 倍。放大器选用 TI 公司的 OPA2335和 OPA132两款运放。4 .2.2 移相电路的设计： JP2R5JP3R31-1-o 11-1-28VCC2-1-2 2-1o18VCC30k21kR41-1-227R6 2-1-227C210k1-1o C310kC53636C610k1u451u PR45OPA2335OPA2335图 4-2-2移相电路的设计图在本部分的设计中要求， 如图 4-2-2 。参考信号的相移是0360°，通过用一个运放和电阻电容的连接可以实现相角180°的变化， 采用两个运放级联的方式使相位

13、可以在360°范围内变化。由于OPA2335有两个通道，所以在本设计中采用 OPA2335的两个通道通过级联达到要求。6其中： R3=R4=R5=R6=10k， C2=C31uF，滑动变阻器的最大阻值为 10k，运放采用的是一片 OPA2335。相敏检波器的设计：JP4I1114VCCR10R1 1RES21 oR1 9RES22131o1oVCC182272 o31233411362o51024569TLC3 72-VCC78sin +R1 7R1 8CD4 066RES2RES2OUTPUTR1 4R2 0sin -RES2RES2图 4-2-3相敏检波器的设计图如图 4-2-3

14、 ，经过移相处理后的波形通过比较器后将由原来的正弦波变成方波，产生的方波和输入信号一同经过乘法器将会得到正弦波的负项翻转的波形。电阻 R17 为 10K， R18为 1M是开关时的限流电阻和分压电阻，R14为 1M,R20为4.7M，而开关的导通电阻值约几十欧姆，与 R14和 R20相比很小， 降低了开关导通时信号的压降，对于不用的引脚全部接地，以免损坏。其中： R10=R11=10K，比较器选用 TI 的 TLC372,乘法开关选用 4066。低通滤波器的设计：VCC3VVCC3R117U131M2C16024100nFVEEVEE-3V图 4-2-4低通滤波器的设计图7在低通滤波器电路中，

15、如图 4-2-4 。由 f 1/2 RC1.6HZ，其中 R1=1M，C=100nF。用于低通滤波器的运放为 OPA2365。4.3 软件设计单片机控制 DDS输出幅度和频率可步进调节的正弦波， 再将经过 PSD的输出信号进行 A/D 采样后送入液晶显示，如图 4-3 所示。图 4-3软件设计流程图8系统测试1基本功能测试：信号源产生频率为2kHz， 1V 的正弦信号，输入信号为2kHz，10uV10mV。测试方法：用单片机产生幅度为1V， 2kHz 的正弦信号，输入信号为10uV， 2kHz 通过100000 倍的放大后为 1V。用单片机产生幅度为1V，2kHz 的正弦信号，输入信号为100

16、uV，2kHz 通过1000 倍的放大后为 0.1V。用单片机产生幅度为1V，2kHz 的正弦信号，输入信号为 1mV，2kHz 通过 1000倍的放大后为 1V。用单片机产生幅度为1V，2kHz 的正弦信号， 输入信号为 10mV，2kHz 通过 10倍的放大后为 0.1V。输入信号参考信号输出信号幅度频率幅度频率幅度10uV2kHz1V2kHz6.13V100uV2kHz1V2kHz0.624V1mV2kHz1V2kHz6.12V10mV2kHz1V2kHz0.625表 5-1-1 测试显示输入信号输入电阻 (K 欧姆 )测试结果 (K 欧姆 )噪声抑制能力（ dB）10uV5805704

17、8100uV600592481mV6206134910mV64043550表 5-1-2测试分析结果结果分析：经过测试可得出输入电阻和我们测量的电阻相差不大， 而且抑制噪声的能力都在 49db 左右，达到了比较稳定的状态。 基本的放大抑制噪声的功能已经具备，9为了测试其能否满足较高的要求，我们进行下面的一系列测试。2频率不同的测试结果与分析测试方法：用单片机产生幅度为1V，100Hz 的正弦信号，输入信号为 1uV， 100Hz 通过100000 倍的放大后为 0.1V 。用单片机产生幅度为1V，1kHz 的正弦信号，输入信号为100uV，1kHz 通过1000 倍的放大后为 0.1V。用单片

18、机产生幅度为1V，5kHz 的正弦信号，输入信号为 1mV，5kHz 通过 1000倍的放大后为 1V。用单片机产生幅度为1V，10kHz 的正弦信号，输入信号为 100mV， 10kHz 通过 10 倍的放大后为 1V。输入信号参考信号输出信号幅度频率幅度频率幅度10uV2kHz1V2kHz6.13V100uV2kHz1V2kHz0.624V1mV2kHz1V2kHz6.12V10mV2kHz1V2kHz0.625表 5-2-1 测试显示输入信号输入电阻 (K 欧姆 )测试结果 (K 欧姆 )噪声抑制能力（ dB）10uV58057048100uV600592481mV6206134910m

19、V64043550表 5-2-2测试分析结果结果分析：经过测试可得出输入电阻和我们测量的电阻相差不大， 而且抑制噪声的能力都在 49db 左右，达到了比较稳定的状态。 基本的放大抑制噪声的功能已经具备，为了测试其能否满足较高的要求，我们进行下面的一系列测试。310pA电流测量结果对比与分析：测量方法：10在电路中串联一个 1M 的精敏电阻，测量其两端的输出电压，由欧姆定律 I=V/R 可得电流值。测试结果：电流值等于 23.5pA结果分析：由于电流太小，所以在经过测量后有比较大的误差，但是我们的测量结果还是能达到 pA 级别。4测量微小电阻的阻值与分析测量方法：串联一个 1 欧的精敏电阻，测量

20、其两端电压，根据分压公式可得出待测电阻的阻值。其中待测信号为毫欧级别。测试结果：待测电阻的阻值为28 毫欧。VVVRm s1ms1Irm sRRV11图 5-4测试电阻阻值结果分析：根据图 5-1 所显示的测试方法可测得微弱电阻阻值。但由于信号过小，采集输出后有比较大的误差。5测量被测信号与参考信号的相位差测量方法：调节移相器，使测的直流电平最大和最小， 即可测被测信号和参考信号的相位差。测量结果： 31 度、 42 度、 132 度2VV0 cos( )out结果分析：通过测试和实际的相位差相比都是小于的6 度范围误差，也是不错的要求11了。但是对精密仪器的要求来说还有很长的路要走。总之即使

21、有用的信号被淹没在噪声信号里面， 即使噪声信号比有用的信号大很多，只要知道有用的信号的频率值， 锁相放大器就能准确地测量出这个信号的幅值。第六章附录软件设计 :/display.c/ 把显示部分的模块全部移到这里 , 争取完全独立/ 主要的两个模块/ 在主函数中添加 #include"display.h"就可以使用 LCM显示函数了#include "lcd.h"#include "INTRINS.h"/* */ 延时程序/ 模块输入/ 模块输出/ 功能说明void Delay(UINT unTime)while(unTime-);/

22、*/* */ 数字转换为字符/ 函数输入/pBuf转换之后的保存结果数组的指针, 两个字节/ 函数输出/ 功能说明void IntToChar(UINT cByte,UCHAR * pBuf)12pBuf0 = (UCHAR)(cByte/1000 + 48); pBuf1 = (UCHAR)(cByte%1000)/100 + 48); pBuf2 = (UCHAR)(cByte%1000%100)/10 + 48); pBuf3 = (UCHAR)(cByte%1000%100%10)%10 + 48); /*/* */ 发送数据/ 模块输入/ 模块输出/ 功能说明void SendByt

23、e(unsigned char cByte)UCHAR ns = 0;while(ns+ <8)/ 移位，发送一个 bitLCM_SDA = (bit)(cByte & 0x80) ;_nop_();_nop_();_nop_();LCM_SCL = 0 ;_nop_();_nop_();_nop_();cByte <<= 1 ;LCM_SCL = 1 ;_nop_();_nop_();_nop_();return ;/*/* */ 写入指令或者数据13/ 模块输入 : cData 要写入 LCM的数据/bType 数据的种类 : 0为 指令 ,1为数据/ 模块输出

24、: 无/ 模块说明 : 发送一字节的数据或指令 ( 物理实现上是发送的三字节 )/第一字节是让 LCM识别是指令还是数据 : 0xF8为指令 (11111000),0xFA为数据 (1111 1010)/第二字节为所发送指令或数据的高 4位 +0000/第三字节为所发送指令或数据的低4 位+0000void WriteData(unsigned char cData,bit bType)UCHAR cSendByte ;/ 发送第一字节if(bType = 0)cSendByte = 0xF8 ;/ 发送指令elsecSendByte = 0xFA ;/ 发送数据SendByte(cSendB

25、yte);Delay(LCM_DELAY_TIME);/ 发送第二字节cSendByte = cData & 0xF0 ;SendByte(cSendByte);Delay(LCM_DELAY_TIME);/ 发送第三字节 cSendByte = cData << 4 ; SendByte(cSendByte); Delay(LCM_DELAY_TIME);/*/* */ 液晶模块初始化 void InitLCM(void)/ 为了可靠性 , 这里内部设置大于 40ms Delay(LCM_POWER_ON); Delay(LCM_POWER_ON);WriteData(0

26、x30,0);Delay(LCM_POWER_ON) ;14WriteData(0x30,0);Delay(LCM_DELAY_TIME) ;WriteData(0x0C,0);Delay(LCM_DELAY_TIME) ;WriteData(0x01,0);Delay(LCM_POWER_ON);WriteData(0x06,0);Delay(LCM_DELAY_TIME) ;Delay(LCM_POWER_ON);/*/* */ 显示模块/ 模块输入 : pBuf 指向所需显示字符串的指针/cNum 所需显示字符的个数 , 一个中文字符按两个算/ cAddr 字符串在 LCM显示的初始地址

27、 , 如果为 0 表示不改变当前位置/ 模块输出 : 无/ 功能说明 : 将输入的字符串显示在 LCM的指定位置 void Display(UCHAR * pBuf,UCHAR cNum,UCHAR cAddr)UCHAR n ;/ 判断是否改变当前位置 if(cAddr!=0&&(cAddr<0x80|cAddr>0xA0)return ; if(cAddr!=0)/ 如果 cAddr 不为零，则改变按 cAddr 改变当前位置WriteData(cAddr,0);for(n=0;n<cNum;n+)WriteData(pBufn,1);15/* */ 移动

28、 LCM的光标/ 模块输入 : 光标将要移动到的位置/ 模块输出 : 无/ 模块说明 : 将 LCM光标移动到指定位置 void MoveCursor(UCHAR cAddr)UCHAR n;/ 将光标移动到 LCM起始地址WriteData(0x02,0); n = cAddr - 0x80 ;while(n-)WriteData(0x14,0);/* */ 清屏/ 模块输入 : 无/ 模块输出 : 无/ 模块说明 : 调用此函数清除 LCM上所有显示 , 并且光标回到起始位置void ClearLCM(void)WriteData(0x01,0);/ Delay(10000);/* */

29、清除某一段数据void ClearLine(UCHAR cStart,UCHAR cN)UCHAR c = 0x20 ;UCHAR i ;if(cStart>=0x80&&cStart<0xA0)MoveCursor(cStart);for(i=0;i<cN;i+)Display(&c,1,0);16MoveCursor(cStart);/* */ 打开 LCM的光标显示/ 模块输入 : 无/ 模块输出 : 无/ 模块说明 : 打开 LCM的光标 void OpenCursor(void)WriteData(0x0F,0);/* */ 关闭 LCM的光

30、标显示/ 模块输入 : 无/ 模块输出 : 无/ 模块说明 : 关闭 LCM的光标 void CloseCursor(void)WriteData(0x0C,0);/*/ 图形清屏函数void ClearBMP(void)unsigned char i,j;/ SendCMD(0x34); /8Bit扩充指令集/ SendCMD(0x36); / RE=1扩展指令选择G=1开图形显示WriteData(0x34,0);WriteData(0x36,0);for(j=0;j<16;j+)for(i=0;i<32;i+)/ SendCMD(0x80+i); / 发送行地址/ SendC

31、MD(0x80+j); / 发送列地址/ SendData(0x00);/ SendData(0x00);17WriteData(0x80+i,0);WriteData(0x80+j,0);WriteData(0x00,1);WriteData(0x00,1);/* */ 图形显示函数/ 本函数显示图形的大小必须是 128*64, 否则 , 可能出现乱码/ 字模提取软件为横向取模void DisplayBMP(UCHAR *disp)unsigned int x=0;unsigned char i,j;/ SendCMD(0x34);/8Bit扩充指令集/ SendCMD(0x36);/绘图

32、ONWriteData(0x34,0);WriteData(0x36,0);/先显示上半屏for(i=0;i<32;i+)/FYD-12864上半屏为 128x32 点阵/ SendCMD(0x80|i);/行位置/ SendCMD(0x80);/列位置WriteData(0x80|i,0);WriteData(0x80,0);for(j=0;j<16;j+) /256/8=32 byte/列位置每行自动增加/ SendData(dispx);WriteData(dispx,1);x+;/再显示下半屏for(i=0;i<32;i+)/FYD-12864下半屏也为 128x32 点阵/ SendCMD(0x80|i);/ SendCMD(0x88);18WriteData(0x80|i,0);WriteData(0x88,0);for(j=0;j<16;j+)/ SendData(di