电子设计竞赛0(共8页)

1、 锁定(su dn)放大器（C题） 摘要(zhiyo)由于(yuy)输入的信号S(t)十分微弱，信号被噪声和干扰所淹没，因此首先让该信号经过低噪声前置放大器进行放大，然后经过带通滤波器将干扰和噪声除去。再把这路信号送入相敏检波器。由于S(t)的幅度有效值是10V1mV，相差很大，因此对输入信号进行分量程放大。参考信号送入参考通道后，先进入触发整形模块产生与被检测信号同频率的方波，该模块由放大电路与电压比较器组成。产生的方波经由FPGA做成的移相电路移相后进入相敏检波器。相敏检波器（PSD）把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大。并且可以通过低通滤波

2、器，其它频率的分量因被转换成频率不为0的交流信号而被低通滤波器滤除。最终可以得到直流分量。显示部分采用单片机实现。经整体测试，证明本项目完成了所有要求。本系统设计是基于锁定放大器（LIA）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。该系统由纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。其中纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路和显示电路完成微小信号的检测和显示。本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号衰减至10uV1mV的微弱信号分量程放大并通过带通滤波器滤波，将参考信号触发整形和经FPGA做成的移相器移相信号后，再进入由AD835构成的相敏检波器，最后通

3、过二阶低通滤波器输出直流信号来检测出微弱信号，将该直流信号送入单片机处理后，显示出来。经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。关键词：微弱信号检测 低噪声前置分量程放大 FPGA 低通滤波器系统方案论证与比较移相网络设计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。方案一：采用模拟移相法，模拟移相电路其实就是一个全通滤波电路，它的放大倍数 Au=（-1+jwRC）/(1+jwRC) （1）写成模和相角的形式为： |Au|=1, =180-2arctan（f/f0） （2）其中f0=

4、1/（2RC）。一阶全通滤波器的移相范围接近180度，所以通过设计两级滤波则可使移相范围达到360度。该方案优点在于可以设定任意的相位。但不能数控，精度不高。方案二：采用数字移相方法，数字移相可以在0180的范围内调节，由单片机进行相位预值，用FPGA来控制移向。方案二与方案一相比，相位步进精确，且方案二设计简单，容易实现。相比较之下选择方案一。2触发(chf)整形电路方案(fng n)一：采用三极管放大电路与电压比较器，该电路设计结构(jigu)简单，且产生的矩形波上升沿比较陡，但由该电路产生的矩形波占空比不能达到50%，因此不能满足与被检测信号同频同相的要求。方案二：采用运算放大电路与电压

5、比较器，该方案产生的矩形波频率及相位与输入信号完全相同，且得到的矩形波形也很理想。因此选择方案二进行设计。 3相敏检波器电路方案一：采用FPGA，用FPGA采集两路信号，然后用方案二：采用模拟乘法器，该方案是基于AD835芯片进行设计的，AD835是乘法器芯片AD835的输出噪声典型值仅为HznV/50，保证了实验信号尽可能小的失真。另外，AD835需要的外围电路非常少，配置相当方便。其原理图如图1所示 图1方案三：采用开关乘法器，开关乘法器动态范围大，线路简单，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。如图2为开关乘法器的基

6、本框图。 图2比较论证以上三种方案后，选择方案二，对相敏检波电路进行设计。4系统(xtng)总体方案论证(lnzhng)锁定(su dn)放大器是利用信号的相位特征：同频且同相的可以通过，同频不同相的则有一定的衰减作用的原理做成的。锁定放大器主要由三部分组成：信号通道，参考通道，相关器。锁定放大器最终的输出是直流量，其实质是微弱信号检测。相关器是锁定放大器核心，锁定放大器主要靠相关器消除噪声，相关器由一个模拟乘法器组成。锁定放大器的输出 Vo=vicos (3)是检测信号与参考信号的相位角， 相敏检测器检相器是一个相位比较装置，它把输人信号和参考信号进行比较。当两个信号的相位完全相同时，经低通

7、滤波器后，输出信号的直流分量达到最大。 信号通道 衰减调谐放大滤波电路组合放大电路 相关器 相敏检波低噪声前置放大Vs(t)+ni(t)含噪声的信号 参考通道触发移向驱动VR(t)参考信号 图3系统原理框图 图4 相关检测电路二、理论分析与参数计算触发整形电路触发整形电路由一个运放和一个电压比较器组成,为了把输入信号整成矩形波，需要先对信号进行放大，放大倍数为100倍，稳压管采用4069系列。其稳定电压是5V，经过电压比较器过零比较，可以得到占空比为50%的矩形波 图5 触发(chf)整形电路 交流(jioli)放大器该交流放大(fngd)电路采用三级放大，第一级放大倍数为1000倍，第二级放

8、大倍数为10倍，第三级放大倍数是10倍，可以通过拨码开关切换放大倍数，以使输出波形的幅度达到测试要求。 图6 交流放大电路带通滤波器该带通滤波器采用的是巴特沃斯带通滤波器 令C=C1=C202=1R2C2(1R1+1R3) (4)其截止频率是 f=02= 12.2k0.11F211.2k+120k=917.3Hz Au=1+R5R4=2 （5） 图7 带通滤波器低通滤波器采用(ciyng)一阶低通滤波器，该滤波器截止频率是=1R3C1=11M1F=1Hz 图8低通滤波器三、系统(xtng)测试与数据分析1带通滤波器仿真(fn zhn)与分析带通滤波器仿真波特图如图 从该波特图可以看出该带通滤波

9、器的fL=869.667Hz fH=962.631Hz题目要求通带的3dB频带范围是900Hz1100Hz，误差小于20%，即允许的误差fL=900Hz120% 即fL ：720Hz1080Hz ，fH=1100Hz120% 即fH ： 880Hz1320Hz 。以上仿真结果可看出fL ，fH 都在其各自的误差范围内低通滤波器仿真与分析二阶低通滤波器波特图其截止频率大约(dyu)是1Hz，与理论(lln)计算值很接近(jijn)，输出信号很接近直流信号，因此其滤波效果很好。系统联调测试结果与分析当时输出直流有最大值，此时输出信号为输入信号幅值的倍,由于，被测信号与参考信号极性同步翻转，被测信号

10、为正时 ，被测信号为负时，这种情况类似于检波器，低通滤波器LPF对检波后的信号进行滤波；时输出为零； 被调制后的传感器信号与参考信号是相干的，因此有固定的值，通过移相电路使，可获得输出为 ，可见输出反映了输入信号的幅值，正是被测信号。移相电路的作用就是使，因此移相器是锁定放大器中不可或缺的部分四、单片机软件设计五、总结(zngji)本项目(xingm) 六、元器件清单(qngdn)七、参考文献八、附录相敏检波器基本原理相移电路的功能是改变参考通道输出方波的相位，在0180度内可调。实际上完成了窄带放大并检波的功能然后相敏检波器就能从被测信号中检测出与输入的参照矩形波频率相同的分量。被测信号所包

11、含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才能转换成直流量，因此可以通过低通滤波器（LPF），将噪声和干扰尽量排除，参考通道的信号与被检测信号频率相同。噪声的屏蔽方波形成电路的作用是把相移器送来的波形变成同步的占空比严格为11的单位方波。（为了仰制偶次谐波必须占空比严格为11）。系统工作原理:信号通道把输入的被测信 号选频放大(初步滤除噪声)后,输给相敏检波器的一端;参考通道在参考信号的触发下,输 出相位可调的、与输入信号同频的占空比11的方波;相敏检波器比较两路信号后输出直流信号;直流放大器经低通滤波和进一步放大后输出直流信号,其幅度与两路输入信号幅度和它们的相位差成比例。相敏检波

12、器是相关检测的核心部件,它决定了测试系统的准确度以及弱信号检测水平。它的作用有两个:一是抑制噪声,二是实现对正弦信号或调幅信号进行幅值和相位的检测。 应当指出:相关检测用于测量深埋于噪声中的、微弱的频域信号,由于是基于频域相干检测原理,它处理的信号,必须是某一频率的周期函数。若原来的被测信号是缓变信号,则首先必须调制成频域信号,才能进行后续的相关检测系统工作(gngzu)原理:信号(xnho)通道把输入的被测信 号选频放大(fngd)(初步滤除噪声)后,输给相敏检波器的一端;参考通道在参考信号的触发下,输 出相位可调的、与输入信号同频的占空比11的方波;相敏检波器比较两路信号后输出直流信号;直

13、流放大器经低通滤波和进一步放大后输出直流信号,其幅度与两路输入信号幅度和它们的相位差成比例。相敏检波器是相关检测的核心部件,它决定了测试系统的准确度以及弱信号检测水平。它的作用有两个:一是抑制噪声,二是实现对正弦信号或调幅信号进行幅值和相位的检测。 应当指出:相关检测用于测量深埋于噪声中的、微弱的频域信号,由于是基于频域相干检测原理,它处理的信号,必须是某一频率的周期函数。若原来的被测信号是缓变信号,则首先必须调制成频域信号,才能进行后续的相关检测采用模拟乘法器AD835作为信号的调制和解调单元。AD835是一款电压输出型四象限带宽高达基准的使用，AD835的输出噪声典型值仅为HznV/50，保证了实验信号尽可能小的失真。另外，AD835需要的外围电路非常少，配置相当方便。 图35的基本连接 如图3，X、Y、Z为信号输入端，为信号输出端，W和Z之间的电阻网络起微调电路增益的作用。输出和输入之间的关系2.AD8W为1ZXY W+= ，)1(U k?。本实验中1Z其