锁定放大器的设计最终

1、精选优质文档-倾情为你奉上2014年天津市大学生电子设计大赛【本科组】锁定放大器的设计报告摘 要锁定放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁定放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。本次设计是基于锁定放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。该次设计是由加法器、纯电阻分压网络、参考信号输入电路、微弱信号检测电路和显示电路组成。其中微弱信

2、号检测电路由前置放大、带通滤波、鉴相器、移相器、比较器、低通滤波、放大器构成。同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，使信号淹没在噪声中，然后经过衰减器衰减100倍以上，送到微弱信号检测电路中。微弱信号检测以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相电路和比较器输出方波驱动开关管乘法器，输出直流信号经单片机ADC转换，最终在液晶显示屏上显示出来。关键字：锁定放大器；微弱信号检测；相敏检测 目 录1 系统方案设计1.1方案选择与论证 常用的微弱信号的检测方法有：直接滤波，积分取样，锁相放大等。 方案1：直接滤波 由于检测的微弱信号混在噪声之中，如果直接使用滤波的方法，因为噪声肯定含有和被测信

3、号相同的频率，所以容易导致被测信号衰弱或者滤掉的结果，当检测的微弱信号混在噪声中时, 噪声含有和被测信号相同的频率，如果直接使用滤波的方法，容易导致被测信号衰弱或者滤掉，从而无法进行正常的检测。所以，直接滤波的检测方法实际效果不甚理想，不宜采用。 方案2：取样积分 取样积分是利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，因为信号提取是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可以很好的提高信噪比，被噪声淹没的信号波形可以很好的显现出来。但是取样积分器测一个波形需要花很长的时间，时间效率低。另外它要求信号必须与触发脉冲同步。综上所述，此法要求较

4、多，实现起来比较复杂，故不采用此法。 方案3：锁相放大 锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它有三个特点：1、用调制器将直流或渐变信号调制，进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；2、利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；3、利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。本次设计采用此法。1.2设计思路与原理框图 微弱信号检测是一门新兴的技术学科。它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的有用的微弱信号。 本

5、设计采用模拟方法实现微弱信号的检测。通过加法器将被测的微弱正弦信号和噪声相叠加，模拟出微弱信号被淹没在噪声的现象，进而进行微弱信号的检测。通过分压电阻网络减小噪声幅值，有利于后续电路的处理。接着通过微弱信号检测电路，通过处理最后输出直流量并进入到单片机进行处理。通过芯片内部的A/D转换模块，同时编写显示程序，最终将被测微弱信号显示到LCD显示屏上。锁定放大器基本组成结构框图如下图1：图1-1 锁定放大器基本组成框图2 锁定放大器硬件设计2.1电阻分压模块 电阻分压网络有串联分压和型网络，型网络性能较好，适合在高频的条件下工作，而本题目要求的电压范围较小，故本设计采用电阻串联来作为分压网络。由于

6、需要进行精确的进行分压，普通电阻阻值误差较大，大约为5%，精密电阻的误差仅仅为0.01%，因此采用精密电阻和电位器接成电阻分压网络，确保精确的分压系数。图2-1 纯电阻分压网络电阻采用无感电阻，是为了防止电阻的产生的高斯白噪声对后级电路产生影响。纯电阻分压网络衰减系数A，A= (Rv14+R21) /R21。测试后电阻Rv2= 200K,Rv3=2K，A=1012.2加法器的设计2.2.1 加法器电路设计 本设计加法器由INA2134搭建设计电路图如图3：图2-2 加法器电路2.2.2 加法器的测试结果 经过测试得： A：噪声源输出V的有效值输出为:1.02V B

7、：加法器的波形： 无明显失真 ；带宽：3dB C：参考信号的衰减系数：102 D：参考信号的输入阻抗：2.9M V n(t):VS(t)=1:1叠加，测试结果见表1：输入信号参考信号输出信号幅度/V频率/KHZ幅度/V频率/KHZ幅度/V误差%10uV1.2KHZ10uV1KHZ19.8uV1%100uV1.5KHZ100uV1KHZ200.6uV3%1mV1.8KHZ1mV1KHZ2.04mV2%表1 加法器测试结果 V n(t):VS(t)=1:10叠加测试结果见表2:输入信号参考信号输出信号幅度/V频率/KHZ幅度/V频率/KHZ幅度/V误差%100uV1.2KHZ10uV1KHZ111

8、.5uV13.6%1mV1.5KHZ100uV1KHZ1.08mV18.2%10mV1.8KHZ1mV1KHZ11.06mV5.4%表2 加法器测试结果2.3 交流放大器的设计2.3.1 交流放大器的方案设计 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，但是编程比较复杂。 方案二：使用常用运放INA218通过开关控制实现放大倍数为10，1000,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。

9、2.3.2 交流放大器的电路设计图2-3 交流放大器电路2.3.3 交流放大器的测试结果 信号源产生频率为1kHz，10mV-1V的参考正弦信号R(t)，输入信号为1kHz，10uV1mV的正弦波S（t）。 测试方法： A：用信号发生器产生幅度为1V，1kHz的参考正弦信号，输入信号为10uV， 1kHz通过倍的放大后为1V。 B：用信号发生器产生幅度为1V，1kHz的参考正弦信号，输入信号为100uV，1kHz通过1000倍的放大后为0.1V。 C：用信号发生器产生幅度为1V，1kHz的参考正弦信号，输入信号为1mV，1kHz通过1000倍的放大后为1V。测试结果如表2所示：输入信号参考信号

10、输出信号幅度/V频率/KHZ幅度/V频率/KHZ幅度/V误差%10uV1kHz1V1kHZ0.95V5%100uV1kHZ1V1kHZ0.12V2%1mV1kHZ1V1kHZ1.2V4% 表2 S（t）交流放大测试结果2.4带通滤波器的设计2.4.1带通滤波器的方案设计方案一：采用3个OPA4227和电阻电容来设计带通滤波器，通过在测试信号电路的前级电路放置带通滤波电路，先对混合信号进行预处理，接着再对信号进行处理。方案二：采用美国Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源滤波器UAF42，具有很高的精度，通过改变UAF42的电路参数可以构成高通、低通、带通、带组滤波器。经比较，UAF42

11、更适合我们的精度要求，而且电路简单，所以我们选择方案二。2.4.1带通滤波器的电路设计UAF42具有以下特点：1、 通用性强，可根据需要设计成高通、低通、带通和带组滤波器；2、 设计简单。BB公司还为UAF42专门设计了一个软件，从而可以方便灵活地设计各种不同类型的滤波器。3、 具有高精度频率和高Q值；4、 片内集成有100pF±5%的电容。 其内部结构图如图2-4所示：图2-4 UAF42的内部结构图 利用UAF42设计的带通滤波器电路如图2-5：图2-5 带通滤波器电路2.4.1带通滤波器的测试结果带通滤波器3dB频带范围为900Hz1100Hz，测试结果见表3： 输入信号参考信

12、号输出信号幅度/V频率/KHZ幅度/V频率/KHZ幅度/V误差%10uV1Kz1V1KHz10.12uV12%100uV1Kz1V1KHz101.4uF14%1mV1Kz1V1KHz1.10mV10%表3 带通滤波器测试结果2.5 移相器的设计2.5.1 方案设计 因为检测电路选择了锁相放大器，而移相网络是锁相放大器中的一部分，在此进行分析。 方案一：采用全通滤波器模拟移相电路，三级滤波，每一级将电位器全调到零。当把第一级的电位器逐步调到最大时，全通滤波器的移相范围逐步超过90度但不超过180度，当把第二级电位器逐步调到最大时，全通滤波器的移相范围超过180度但不足360度，当把第三级电位器调

13、到最大时，全通滤波器的移相范围达到360度，这样就可以实现0到360度的相移。 方案二：采用数字移相方法，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值，如用CD4046锁相环组成。 方案一与方案二相比，电路简单可靠，且方案二增加了电路的复杂度，成本也很高。故选择方案一。2.5.2 移相器电路设计图2-6 移相器电路 因为输出信号与信号的相位差有关，所以必须加入移相网络。移相是指两种同频的信号，以其中一路为参考，另一路相对于该参考做超前或滞后的移动，即称为相位的移动。由方案论证得，本设计采用模拟移相电路。模拟移相电路

14、其实就是一个全通滤波电路，它的放大倍数Au=（-1+jw*RC）/(1+jw*RC)，写成模和相角的形式为：|Au|=1,=180°-2arctan（f/f0） 其中f0=1/（2RC）。每个滤波器相移范围均接近120°，所以本设计采用三个一阶滤波器串联（如上图所示），使得整个移相电路能做到接近360°的相移范围。2.5.3 移相器测试结果 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）连续移相。本次移相数据共测试两次。测试结果如表1所示：测试次数测试对象未移相一级移相二级移相三级移相第一次移相变化0度129度262度400度所耗时间0 uS

15、350uS710uS1.08mS第二次移相变化0度129度277.7度429度所耗时间0 uS350uS710uS1.16mS表1 移相模块测试结果移相过程：1、未移相时的波形2、 第一级移相的波形3、 第二级移相的波形第三极移相的波形图2.6 方波驱动电路的设计 本设计采用由运放uA741组成的过零比较器来产生方波，设计电路如图：图2-7 方波驱动电路2.6.1 方波驱动电路的测试结果2.6 相敏检波器的设计2.6.1 方案设计 在本设计中采用AD公司生产的AD630，这是一款高精度的平衡调制器，内部电阻均是高稳定度的SiCr薄膜电阻，保证了其工作的精确性和稳定性。它的信号处理应用包括平衡调

16、制和解调、同步检测、相位检测、正交检波、相敏检测、锁定放大和方波乘法等。AD630逻辑图如下图所示，其内部可以被认为是集成了两个前置放大器，一个用来选通前置放大器的精密比较器，一个作为多路选择开关以及输出级积分运算放大器。拥有高切换速度和快速稳定的线性放大器，由于比较器的响应时间快速，可使开关失真降至最低。此外，还有极低的通道间串扰。AD630通常用于高精度的信号处理以及动态范围宽的仪器设备。在锁相放大电路中，当其用作同步解调器时，可以恢复在100 dB噪声背景下的微弱信号。AD630最优的工作频率是在1 kHz，故注入蓄电池的信号和参考信号选为1 kHz，同时1 kHz也处于适宜的电池内阻频

17、率响应范围，不过其在零点几兆赫兹时仍然可正常工作。其内部结构图如图2-8：图2-8 AD630的内部结构图 作为模拟放大器，AD630显示了输入电压信号在某个狭窄频带内的分量，该频带围绕基准信号的频率。 AD630输出端的低通滤波器能获得关于微弱信号振幅的信息，它原本被无关的噪声掩盖了。当输入电压与基准电压同相时，低通滤波器的输出VOUT具有最大振幅。相反，如果输入电压与基准电压正交，则输出电压在理想情况下将为0V。这样，如果可获得同相基准信号和正交基准信号，则两个平衡解调器显示同相输出电压为0，正交输出电压为90。计算模移和相移，方法如下：2.6.2 相敏检波电路的设计 采用AD630作为乘

18、法器实现的相敏检测电路原理图如图8所示。输入信号为一路待检测信号和一路参考信号。待检测信号通过1脚送入，参考信号通过10脚输入到比较放大器。待检测信号在器件内部根据载波信号的正负进行翻转，实现了开关乘法功能。 图2-9 相敏检波器电路¥ 工作过程如下：设输入信号为。参考输入时幅度为的方波，其周期为，角频率为，根据傅里叶分析的方法，这种周期性函数可以展开为傅里叶级数可得的傅里叶级数表示式为上式右边第一项为差频项，第二项为和频项。经过LPF的滤波作用，的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩的差频项为当方波幅度时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当为时，电子开关的输出连接到；当为时

19、，电子开关的输出连接到，这时LPF的输出为当经过开关乘法器，角度之差为0时，输出信号最大。2.6.2 相敏检波测试结果2.7 低通滤波器的设计2.7.1 低通滤波器的方案设计方案一：使用现成的滤波器芯片，如Maxim公司的开关电容滤波器芯片MAX262，可以实现低通，高通和带通滤波器，中心频率范围可以从DC到140KHz，能很好的实现题目的要求。方案二：采用状态可调滤波器，用2个运放和电阻电容来组成，电路比较简单，而且可以实现低通、带通、高通三种输出。可以使用先决定Q值的电阻和决定中心频率的电容，通过不同的电阻来切换中心频率，以达到截止频率为1K20KHz。比较两个方案，方案一可以很好实现题目

20、要求，但调试起来较为麻烦，技术要求高，方案二电路形式简单易行，可快速制作，故采用方案二。2.7.2 低通滤波器的电路设计为了最后输出为直流量便于单片机能够接受，在输出前级加上低通滤波器进行滤波得到直流量。且低通滤波器的截止频率较低为好。在低通滤波器电路中，由f1/2RC1.6，其中R1=1M，C=1uF。用于低通滤波器的运放为OPA4227。图2-10 低通滤波器电路2.7.2 低通滤波器的测试2.8 直流放大器的设计能放大直流信号的放大器叫直流放大器。直流放大器常用于测量仪表。直流放大器的类型很多。直接耦合的单管放大器是最简单的一种，利用成对晶体管或场效应晶体管构成的差分放大器是一种零点漂移

21、较小的直流放大器，常用于集成运算放大器的输入级和中间级。所以本设计采用OPA4227直接耦合的方式设计电路图。直流放大器常用于测量仪表。图2-11 直流放大电路设计2.9 显示模块设计2.9.1 有效值检测方案选择方案一：采样计算法。此方法是对周期信号进行快速采样，获得很多个离散值，存储在内存中再利用计算机的运算功能，按有效值数学定义：=进行运算。此方案虽然转换精度高，但是技术要求高，造价也高，不适合用于多位数字表的设计。方案二：模拟直接运算变换法。根据有效数学定义用集成组件乘法器、开方器等依次对被测信号进行平方、平均和开方等计算，直接得出输入信号的有效值。在这种电路设计中，当输入信号幅度变小

22、时，平方器输出电压的平均值下降很快，输出幅度很小，往往与失调和漂移电压混淆，因此该电路动态范围很窄，精度不高。方案三：单片集成有效值转换组件法。对数放大器转换是利用晶体管PN结平方律传递关系而成的。单片集成电路AC/DC真有效值转换芯片，内部集成了实现算法求取有效值的各种电路，能将任意波形的交流电压信号直接转换成与其有效值成比例的直流电压，而不必考虑波形参数和失真度的大小。并且AD637对输入200mv带宽可达1MHz，2v以上输入时带宽可达8MHz，输入200mv以下时可以前置放大电路，且使用缓冲模式输入阻抗可达100M欧，因此AD637完全可以胜任题目要求。比较以上三种方案，采用方案三进行

23、AC/DC真有效值转换，电路简单，而且在理论上能保证较高的精确度，性价比较高，具有实际的参考价值。电路图如图9所示。2.9.2 显示电路设计在此模块中我们选用AD637进行AC/DC真有效值转换，因为它是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽和动态范围与分立和模块式设计相当。图2-12 有效值检测电路图2-13 液晶显示电路2.9.3 测试结果有效值显示值误差3 锁定放大器软件设计 液晶显示部分程序设计流程图如下图所示。图3-1 程序流程图4 系统统调结果4.1 测试仪器仪器型号多功能函数信号发生器 SG1646A 电源 DF1731四位半数字万用表 MODEL MF