锁相增益放大电路设计

摘要随着科学技术的发展，使测量技术得到日趋完善的发展，同时也提出更高要求。尤其是一些极端条件下的测量已成为现代认识自然的主要手段，由于微弱信号检测(weaksignaldetection)能测量传统观念认为不能测量的微弱量，所以才获得迅速的发展和普遍的重视，微弱信号检测已逐渐形成一门边缘学科学。锁相放大器(lock－in.Amplifier简称LIA)就是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器，它可用于测量交流信号的幅度和相位，有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度，可测量毫微伏量级的微弱信号，自1962年美国PARC第一个相干检测的锁相放大器问世以来，锁相放大器有了迅速的发展，性能指标有了很大的提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。关键字：锁相增益放大器微弱信号AbstractAlongwithscienee'sandtechnology'sdevelopment,enablesthemeasuringtechniquetoobtaindaybydaytheconsummationdevelopment,simultaneouslyalsosetsahigherrequest.Especiallyundersomeextremecondition'ssurveyhasbecomethemodernunderstandingnaturalprincipalmeansthatbecausetheweaksignaldetection(weaksignaldetection)cansurveythetraditionalideastothinkcannotsurveyweakquantity,thereforeonlythenobtainstherapiddevelopmentandtheuniversalvalue,theweaksignaldetectionhasformedanedgestudyscieneegradually.Phase—lockamplifier(lock—.AmplifieriscalledLIA)isexaminesthesubmergeneeinthenoiseweaksignalinstrument,itmayuseinsurveyingtheexchangesignalthescopeandthephase,hasthegreatlystrengthenedbarragejammingandnoiseability,hastheextremelyhighsensitivity,themeasurablequantitymillimicrobendingdownmagnitude'sweaksignal,theAmericanPARCfirstcoherentdetection'sphase—lockamplifierhasbeenpublishedsince1962,thephase—lockamplifierhastherapiddevelopment,theperformaneeindexhadtheverybigenhancement,widelywasalreadyappliedinscieneeandtechnologymanydomains.Keyword：Thephase—lockenlargesthecurriculumprojectbeautyTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"前言 11、 锁相增益放大电路技术指标及基本原理 2\o"CurrentDocument"1.1方案技术指标 2

\o"CurrentDocument"1.2锁相放大器的基本原理 2\o"CurrentDocument"2、 锁相增益放大电路方案设计 2\o"CurrentDocument"2.1锁相增益放大电路 3\o"CurrentDocument"2.2整形电路 3\o"CurrentDocument"集成芯片CD4046 4\o"CurrentDocument"相敏检波器DG201 4\o"CurrentDocument"信号通道 5\o"CurrentDocument"参考通道 5\o"CurrentDocument"锁相放大器对噪声的抑制 6\o"CurrentDocument"2.5.1等效噪声带宽 6\o"CurrentDocument"2.5.2信噪比改善（SNIR） 8\o"CurrentDocument"2.5.3锁相放大器的噪声 8\o"CurrentDocument"动态范围和动态储备 9\o"CurrentDocument"3、 锁相增益放大电路测试 10\o"CurrentDocument"4、 总结与体会 11\o"CurrentDocument"5、 原器件清单 12\o"CurrentDocument"6、 参考文献 13\o"CurrentDocument"附一 14前言——长期以来人们一直受到噪声信号的干扰，这使得对于强噪声中的微弱信号检测的研究成为测量技术领域中的综合技术与尖端领域。微弱ixnhao检测技术（WeakSignalDetection）是采用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，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，检测被噪声淹没的游泳信号。随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要，现已逐渐形成为专门的边缘学科。微弱信号检测方法是基于研究噪声的规律（如噪声幅度、频率、相位等）和分析信号特点（如信号频谱、相干性等）的基础上的，然后利用一系列信号处理方法，来提取和测量强噪声背景下的微弱信号。锁相放大电路（Lock-inAmplifier，简写为LIA）利用相关检测技术，从而将深埋在大量的非相关噪声中的微弱有用信号检测出来，起着检测器和窄带滤波的双重作用。它可用于测量微弱交流信号的幅度和位相，有较强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度，在光谱学和环境学的微弱信号探测与采集中有着广泛的应用前景。比如，在光谱测量中往往需要测量很多通道的信号，在信号测量中采用锁相放大器能够大幅度的提高系统的抗干扰性能，但也存在明显的不足之处；电路变得极其复杂、各通道的一致性难以保证、工艺性差等。=i1、=i1・1方案技术指标1、 中心频率lOOKHz,Q=50000BPF。2、 动态增益120dB。3、 噪声极限O.OO537op-p。1.2锁相放大器的基本原理锁相放大器(Lock-inAmplifier简称LIA)是以相关检测技术为基础，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，利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关，从而从噪声中提取有用信号。它不同于一般的带通放大器，它所输出的信号并不是输入信号的简单放大，而是把交流分量放大并变成相应的直流信号输出。使用锁相放大器是从强噪声中提取弱信号的重要手段。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。一般锁相放大器的组成分为三部分:信号通道、参考通道和相关器(相敏检波器)。其核心部分是相敏检波器(phase-sensitivedetector简称PSD)，它实际上是一个乘法器。输入信号和参考信号分别加在相敏检波器的两个输入端。图1-1图1-1锁相放大器结构框图锁相放大器的最基本原理是相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数fl(t)和鉉(t)的相关函数表示为：至-f二厂- -其中f2(t)为参考信号一 为测量信号，S(t)为需要检测出来的信号，f2(t)与S(t)频率相同。下面详细讨论这一原理是怎么具体应用在锁相放大器的设计上，锁相放大器又是如何通过直接计算相关函数来实现从噪声中检测淹没信号的。2、锁相增益放大电路方案设计2.1锁相增益放大电路锁相环放大器最初用于改善电视接收机的彳丁同步和帧同步,，以提高抗干扰能力.而，精密量测技术的发展，锁相放大器是基于微弱信号的相关检测原理，具有中心频率稳定,通频带窄，品质因数高等特点。是一种频率变换技术，给信号A乘以不同频率的正弦波B,会产生它们的和与差的正弦波，即sinAxsinB=-C0S（A+B）-C0S（A一B）令B与A信号相同，则1-cos2AsmAxsmB=—可产生直流和2倍交流信号，如引入相位和频率sin@t+a）xsing+卩）=皿©—卩）-cos㈣+a+P）如B与A信号的相位和频率都相同，直流值变为最大；相差900，直流值为0。因此，用频率相同的参考信号B乘以信号A，通过滤波除去与信号A频率不同的成分即噪声，在原理上可构成具有无限大Q值的滤波器。在现代通信及信号处理中应用于检测淹没在噪声的微弱信号。2.2整形电路输入信号送入LM311进行滞回比较，可较好消除边缘毛刺，实现低频信号整形。图1-3为LM311的滞回比较电路图此电路将输入的信号通过运放及其他电阻、电容元件后，形成方波信号。首先，由第一级运放将输入信号放大再由第二级运放将正弦信号转换为方波信号。!OFAMFR14.7k 弧ITIITiEL21m参考信号2二rEn-R14.7k 弧ITIITiEL21m参考信号2二rEn-15KQ22N337015KQ22N3370图2-22.2.1集成芯片CD4046CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V—18V）,输入阻抗高（约100MQ）,动态功耗小，在中心频率fO为10kHz下功耗仅为600口W。外部附加电压一电流变换电路可改善VCO特性。121341015图2-32.2.2相敏检波器DG201相敏检波器作为锁相放大技术中的乘法器，它的线性度和动态范围决定了系统的弱信号检测水平。一般的模拟乘法器中，由于直流漂移的影响，不能在很宽的动态范围GND1网氐SiV+NCSjD3I吗TopVi™TRUTHTABLELogicGND1网氐SiV+NCSjD3I吗TopVi™TRUTHTABLELogicswitch□CN1OFFLWC/TSoevLQCiCT24Y图2-4能够提供高速、低错误的模拟开关效果，并且能够用逻辑电平进行控制°DG201适合高速数据采集的要求°DG201是建立在一个专有高电压硅栅进程。一般模拟开关设计时接通时间比断开时间慢，使得两点间的输入信号不短路。但是用作PSD等用途时，重要的是变换占空比50% ON或OFF的时间比相等，所以需要使用断开或接通时间都相等的模拟开关。+13VC1+13VC1111V+S1D1：i IN]/52「D23ELIN；7沖y-CX1111X-15V\農巻舞宿号电路图2-52.3信号通道待检测的微弱信号和噪声混合在一起输入低噪声前置放大器，经放大后进入前置滤波器，前置滤波器可以是低通、高通、带通或带阻滤波器，或者用这些滤波器的两种以上的组合构成宽带或窄带滤波特性，用于防止在严重的噪声或干扰条件下使PSD出现过载，滤波后的信号经过调谐交流放大器放大到PSD所需的电平后输入PSD。2.4参考通道参考通道用于产生相干检测所需的和被测信号同步的参考信号。参考通道首先把和被测信号同频率的的任何一种波形的输入信号转换为占空比为1:1的方波信号，其频

率和输入移相器的参考信号的频率兀相同。现代的锁相放大器还可以给出频率为2厶的方波信号，主要用于微分测量中相移电路可以精确地调节相位沁，使PSD中混频器的两个输入信号的相位差严格为零，获得最大的检波直流输出。方形信号通过移相器改变其相位，使得PSD输入的参考信号与被测信号同相位，即锁相放大器的PSD的直流输出信号一般要经过滤波和直流放大，然后输出给测量仪表等。2.5锁相放大器对噪声的抑制2・5・1等效噪声带宽为了定量分析放大器抑制噪声的能力，我们先引入等效噪声带宽（equivalentnoisebandwidth，简称ENBW）的概念。考察如（图2—5—la）所示的最简单的RC低通滤波器，它以复数表示的传输系数（即输入输出信号之比）为比（何=比（何=它的模为疋它的模为疋（Je）= 1 = 1J1+（磁匕尸』屮2那£丫(2—5—1)叫曲⑼I.oo叫曲⑼I.oo(p.707)图2-6简单低通滤波器及其传输特性图2-6b所示为 随频率而改变的关系。对于输入信号，滤波器的带宽通常疋0劲 *定义为当传输系数 随频率改变而下降到0.707（—3dB）时的频率值▲。由式#井可知RC低通滤波器的带宽为'忆曲匚。

图2-7低通滤波器的等效噪声带宽对于输入噪声通常用等效噪声带宽（ENBW）来表征滤波器抑制噪声的能力。假定滤波器的输入为白噪声，即/到了+斯频率范围内，噪声电压的均方值为其中：債为一与了无关的系数。当噪声通过所讨论的低通滤波器时，可以求得输出噪声电压的均方值。另外，假定有一个理想的低通滤波器，其传输特性如图###中b所示。频率在0〜B之间传输系数的模等于所讨论的低通滤波器当了二0时传输系数的模，而当f>B时，传输系数的模为零。噪声通过此理想低通滤波器时，也可以求得输出噪声电压的均方值。如果两种情况下输出噪声电压均方值相等，则定义这时的B为所讨论的低通滤波器的等效噪声带宽。按以上定义「口 2 1« Jo1丄伽srV(2—5—2)(Hz)可见RC低通滤波器的等效噪声带宽B和时间常数RC成反比。显然，对于任何传输英g二曲Qi© „系数为 的低通滤波器（広。为实数），等效噪声带宽B都等于V0^）o128A型锁相放大器所用的低通滤波器也属于这种类型，因此ENBMW值B都等于'用眄。该仪器的时间常数RC也可以从1ms改变到100s。当时间常数为100s时，等效噪声带宽B=0.0025Hz，这个数值相当小，如此小的带宽可以大大地抑制噪声。我们知道一般的调谐放大器或选频放大器想要把带宽做得这么窄是及其困难的，锁相放大器的特点在此就表现得非常突出了。对于PSD，考虑到在基波附近土纣的输出噪声都将在输出端产生噪声分量，故PSD的基波等效噪声带宽应为RC低通滤波器等效噪声带宽的2倍,~即(2—5—3)对于白噪声，相应谐波等效噪声带宽为：叭加+习2.1/2盘U,总的等效噪声带宽为血彳 1 1 1 彳豪彳 7T3 开彳(2—5—4)国外仪器一般都用低通滤波器的等效噪声带宽代替仪器总的等效噪声带宽，这是不太严格的°128A型锁相放大器的等效噪声带宽采用的就是这类定义。从抑制噪声的角度来看，时间常数RC越大越好。但是RC越大，放大器反应速度就越慢，幅度变化较快的信号的测量将受到限制。所以在锁相放大器中用减小带宽来抑制噪声是以牺牲响应速度为代价的。在测量中应根据被测信号的情况，选择适当的时间常数，而不能无限度的追求越大越好。2.5.2信噪比改善(SNIR)信噪比改善是指系统输入端信噪比人/乙与输出信噪比兀皿的比值，锁相放大器的信噪比改善常用输入信号的噪声带宽与PSD的输出噪声带宽之比的平方根表示：G%=I^J!L(2—5—5)2.5.3锁相放大器的噪声锁相放大器自身的噪声将直接影响最小可测信号的大小。为了便于研究，通常将它折合为放大器输入端的噪声，决定改噪声的因素有：放大器的前级状况，信号源的内阻&以及工作频率。不同的亂具有不同的热噪声；工作频率较低时噪声的影响较大。为了在使用中方便考虑锁相放大器的噪声，通常将折合到输入端的噪声绘制成噪声系数等值线图(简称NF图)。噪声系数NF的定义为折合到输入端的总噪声电压坦折合到输入端的源电阻热噪声电压 (2—5—6)根据给定的工作频率了与源电阻&值，通过查NF图，即可得到锁相放大器最小检测信号的大小。2.6动态范围和动态储备锁相放大器有几个标志其性能的临界电平：（1）最小可分辨信号电平（MDS）；（2）满刻度信号输入电平（FS）；（3）最大过载电平（VOL）。这三个电平确定了仪器的几个重要性能指标：①动态储备乜的0匸旳伽）时指比满刻度输入信号大这么多倍（以分贝为单位）输入噪声仍然能够被仪器抑制。②输出动态范围二20运行勻远厂（dB）是指在确定的灵敏度的条件下满刻度输出时的输入信号大小与最小可分辨信号大小之比。③输入总动范围=（dB）是指在确定的灵敏度的条件下，最大噪声信号大小与最小可分辨信号大小之比，他是评价仪器从噪声中提取信号能力的主要参数。他们之间的关系可以用图2-8表示。劫态储备„ | 論入总动态范圍r输出动霑请备图2-8信号通道内插入高、低通滤波器和调谐放大器有助于改善动态储备。改变滤波器的通带范围和放大器的放大倍数会影响动态储备和动态范围。测量中要根据输入信号的情况适当调节和选用。3、锁相增益放大电路测试根据这个系统的设计，我们对根据以下4个调试要点进行了调试：VCO特性调试，接入参考信号，（4046,4足），200KHZ，应用频率计测量固有震荡频率fv，此时发现，频率计显示值为200KHZ，说明此时进入了锁定状态。C2取1000P，调整R11，此时观察电压一频率控制特性。通过观察可知，在一定范围内,震荡频率与控制电压呈现线性关系。3•调节参考输入信号的特性由高到低，记录锁定的频率。调信号源频率约为CD4046的中心频率。示波器分别测Ui和Uo,并以Ui作为示波器的触发同步信号，频率计测Ui,这时示波器可显示两个稳定的波形，即Ui和Uo是锁定的。在一定范围内缓慢改变信号源频率，可看到两个波形的频率同时变化，且都保持稳定清晰，这就是跟踪。但当信号源频率远大于（高端）或远小于（低端）CD4046的中心频率时，但Uo不能保持稳定清晰，这就是失锁。记下刚出现失锁时的Ui频率即高端频率fHH和低端频率fHL，则同步带AfH=fHH—fHL。4•在CD4046的12足附加电压一电流变换电路，观察（示波器）。V—F特性线性关系的范围变宽了，说明附加电压一电流变换电路可使VC0可变范围得到飞跃性扩展。4、总结与体会由于设计课题具有一定难度，在设计过程中，也遇到很多的问题，但是在贺老师的指导帮助下，在小组成员的不懈努力和积极配合之下。所遇到的问题都逐一得到了解决，在此对谢老师的细心指导表示衷心的感谢。同时，也更加深刻地体会到了团队合作的力量，在合作中，增加了同学们之间的了解，提升了自己与人交流合作的能力。这也是一笔不小的收获。设计最大的收获是熟悉了整个设计的流程以及系统的工作原理，从最开始的题目下达，到最后的完成课程设计报告，大家都是一步一步的认真完成。这对于平时较少接触完成整个设计流程的我们来说得到了很大的锻炼。在设计过程我们充分认识到团队的合作精神及其重要，只有团队团结一致，相互协作，共同分工，才可把一件事情做得更好。在设计过程中，我们也体会到了对很多以前学过的知识存在掌握不牢的问题。设计本身也还存在一些不足，由于设计和元器件性能的限制，系统测试精度不够高，不能运用在精度要求很高的工业领域中，但是此次设计结果还是比较完美的，实物做的也不错，也完成了设计所要求的结论。以后需要多进行此类设计训