收稿日期：2012－02－08
摘要：在利用激光吸收光谱技术进行摩托车尾气检测的系统中，携带有用信息的光信号是微弱信号，淹没在很强的噪声和其他
干扰的背景中，因此必须采用微弱信号检测技术中的锁相放大器来实现有用信号的提取。阐述了微弱信号检测的基本原理，比较了单通道和双通道的锁相放大器的优劣，设计了运用AD630作为相关乘法器的双相矢量锁相放大器。关键词：锁相放大器；微弱信号检测；AD630中图分类号：TN722
文献标识码：A
文章编号：1009－9492(2012)06－0019－05
The Design of Dual-Phase Lock-In Amplifier Based on AD630
ZHU Xiao-li ，LI Xia
（China Jiliang University ，Hangzhou 310018，China ）
Abstract:In the use of laser absorption spectroscopy for detection of motorcycle exhaust systems ，the useful information which optical
signal carrying is weak.The weak signal is submerged in strong background noise and other interference.It must use the lock-in amplifier which belongs the weak signal detection technology to achieve the extraction of useful signal.This paper describes weak signal detection theory ，and compares the pros and cons of the single-and dual-channel lock-in amplifier.Finally ，designed a dual-phase lock-in amplifier using the AD630as associated multiplier.
Key words:lock-in amplifier ；weak signal detection ；AD630
基于AD630的双相锁相放大器设计
朱晓莉，厉
霞
（中国计量学院，浙江杭州
310018）
DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2012.06.006
0引言
锁相放大器（lock-in amplifier ）是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。锁相放大器可在比被测光信号强100dB 的外来干扰中检测出目的信号[1]。从锁相放大器问世以来，由于其在微弱信号检测方面的优越性能，在科学研究的各个领域得到广泛的应用。
锁相放大器有三个特点：用调制器将直流或渐变信号进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；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；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。
1锁相放大器的工作原理
锁相放大器采用外差式振荡技术，利用信号的相关原理对混有噪声的周期信号进行相关运算后，从噪声信号中检测出目标信号。其工作原理框图如图1所示。
图1
锁相放大器的工作原理
信号通道的作用是将伴有噪声的输入信号放大，并经选频放大对噪声进行初步处理；参考通道的作用是提供一个与输入信号相同的方波；相敏检波的作用是对输入信号和参考信号完成乘法运算，从而得到输入信号与参考信号的和频与差频信号；低通滤波的作用是滤除高频信号成分，这使得等
效带宽变窄，从而实现提取噪声中的微弱信号[2]。
假设待测信号是A sin(ωt +α)，噪声为n (t )，参考通道信号是B sin(ωt +β)，其中幅值B 是确定的，两路信号在相敏检测环节中进行相乘运算，结果为：
（1）
式（1）中第一项为直流成分，大小与两信号幅值及相位差的余弦成正比；第二项为待测信号的倍频信号。和待测信号同时进入乘法器的噪声也要和参考信号相乘，结果n (t )B sin （ωt+β）几乎都是交流信号。低通滤波器的通带可以做得很窄，经过低通滤波器，待测信号的二倍频信号和噪声与参考信号相乘的结果都被滤掉，仅剩下直流信号，即0.5AB cos （α-β），只要两个信号的初相位α和β是已知的，则cos （α-β）是恒定的。由于参考信号的幅值B 是确定的，那么很容易得到待测信号的幅值A 。
在单通道中很难做到cos （α-β）的恒定，即参考信号和被测信号同相位。为了消除（α-β）值的不确定带来的影响，对参考信号做90°的移项作为第二路锁相的参考信号，这样双通道的锁相放大器就能实现动态地测量幅值和相位[3]。
2双相锁相放大器系统的硬件设计
2.1双相锁相放大器工作原理
如图2所示，双相锁相放大器是由两个完全相同的信号通道和相关器组成，其信号通道
输出两路相同信号，参考通道输出两路相位相差90°的正弦波信号，分别在两个相关器
（AD630）中检波。故其两个相关器输出分别为
V 0（t ）=0.5AB cos （α-β）（2）V 00（t ）=0.5AB sin （α-β）（3）
解式（2）（3）可得V =V 02+V 002，
α-β=arctan
V 00
V 0
。2.2参考信号产生
参考信号可以是方波、三角波、正弦波等周期性信号，本设计中采用正弦波。正弦信号的产生采用ADI 公司生产的AD9850，其电气连接如图3，它是采用先进的COMS 技术的直接频率合成器，最高时钟频率可以达到125MHz 。它结合一个片内高速、高性能DAC 和比较器构成一个完全数字控制可编程频率合成器。设输出信号的频率为f OUT ，参考频率为CLKIN ，AD9850的频率控制字为△PHASE ，则三者之间的关系为：△PHASE =
（f OUT ·232）/CLKIN 。
由双相锁相放大器的工作原理可知，参考通
12
AB [cos(α-β)-cos(2ωt +α+β
)]+
n (t )B sin(ωt +β)图2双相锁相放大器原理图
图3
AD9850的电气连接
道输出的两路信号中需对其中一路进行90°相移，其相移与相位控制之间的对应关系参考表
1，频率、相位控制字的各位分配表参考表2。
2.3相关器设计
ADI公司的AD630由两个运算放大器A和B、切换开关S、输出积分放大器、比较器COMP(含三极管T)、片内电阻、片内补偿电容组成。由
COMP驱动开关S置A或B，通道A和B之间隔离度超过100dB，分时工作，片内电阻均是高稳定度的SiCr薄膜电阻，片内补偿电容经外管脚连接，不需外接电容即可稳定工作在闭环增益上。最重要的是AD630的两路增益保持严格匹配的1∶1关系，是设计制作锁相放大器的最为理想的集成芯片。
本文的双相锁相放大器就是采用了两片AD630来设计其双通道的信号相关器，该系统的电气连接如图4，其中相移电路由与或门CD4030实现，单稳态触发由触发器MC14528实现，D触发器由CD4013组成，延迟时间通过调节R6的大小来选择。
2.4低通滤波
由OP07构成的低通滤波器是一个典型的一阶低通滤波器，其电路图如图5，该电路的传递函数为：
A
U
(jω)=K
1+j(ωω
)，其中A=
R7
R6ω0
=1R
7
C4 T=R7C4为该一阶低通滤波器的时间常数，由图4中电路可以算出：T=5ms，其截至频率为f0= 32Hz，当f?f0时，其衰减斜率为-20dB/dec。该低通滤波能很好的滤除相敏检波器中产生的高频信号成分，提高了信噪比。
表1相移与相位控制之间的对应关系表2频率/相位控制字的各位分配表
控制字W0 W1 W2 W3 W4Data[7]
Phase-b4
Freq-b31
Freq-b23
Freq-b15
Freq-b7
Data[6]
Phase-b3
Freq-b30
Freq-b22
Freq-b14
Freq-b6
Data[5]
Phase-b2
Freq-b29
Freq-b21
Freq-b13
Freq-b5
Data[4]
Phase-b1
Freq-b28
Freq-b20
Freq-b12
Freq-b4
Data[3]
Phase-b0
Freq-b27
Freq-b19
Freq-b11
Freq-b3
Data[2]
Power
Freq-b26
Freq-b18
Freq-b10
Freq-b2
Data[1]
Control
Freq-b25
Freq-b17
Freq-b9
Freq-b1
Data[0]
control
Freq-b24
Freq-b16
Freq-b8
Freq-b0
图4双通道相关器的电气连接图相移/°
22.5
45
67.5
90
112.5
135
157.5
相位控制字
00000
00010
00100
00110
01000
01010
01100
01110
相移/°
180
202.5
225
247.5
270
292.5
315
337.5
相位控制字
10000
10010
10100
10110
11000
11010
11100
11110
3双相锁相放大器系统的软件设计
该双相锁相放大器的控制单元采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812，2812具有150MHz的主频，最高可达12.5MSPS的AD转换速率，转换通道具有自动排序功能，这些特点保证了AD采样的实时性。本系统程序流程图如图6。
4实验结果分析
4.1参考信号正弦波的产生
设计参考信号的频率是5kHz，初始相位是0°，故在AD9850初始化程序中的控制字初始化为：0x00；0x00；0x03；0x46；0xdc。在没有加
隔直流的电容前的波形都
是在零上的，如图7，加
了隔直流的电容后的波形
图如图8。从波形图上看
出正弦波的频率是
5.006kHz，误差为0.6%。
主要的误差来源于计算控
制字过程中，理论上要输
出5kHz的波形控制字大
小为214748.3648，在转
化为十六进制后是
0X346DC，而0X346DC转
化为十进制是214748，
在十进制转化为十六进制
过程省略了小数部分。
在调试AD9850过程
中遇到过一个问题，在硬件电路和软件的时序都按照资料中的推荐方式设计好后没有出现正弦波，而是一个幅值在100mV 左右的直流信号。经研究发现AD9850的资料中并没有给出RESET管脚的控制时序，在程序中填加了对RESET管脚的控制后，正弦波波形出现了。
图5低通滤波电路图6
程序流程图
图7未加隔直波形
图8
隔直波形A.被测信号B.参考信号C.输出信号
图9
实验波形
4.2锁定放大器
图9波形A 是频率5kHz ，幅值为1.2V 的被测信号，波形B 是频率为5kHz ，相位与波形A 一致，幅值为1.2V 的参考信号，波形C 是经双相锁相放大器的相敏检测单元之后的图形。
5结束语
本文概述了锁相放大器的基本原理和双相锁相放大器的设计过程。在双相锁相放大器的研制过程中，对其功能实现和精度提高上做了大量实验，并获得一定成效。该双相锁相放大器在利用激光吸收光谱技术进行摩托车尾气检测的系统中，能有效地检测出淹没在很强噪声中的携带有用信息的微弱信号。
参考文献：
［1］陈银根，李秀玲，肖冬平.微弱信号检测——数字相
关技术的研究［J ］.江西科学，2004，22（4）：268-271.
［2］刘铁军，王保良，黄志尧，等.一种工作频率可调的
锁定放大电路在液体微弱电导测量中的应用［J ］.传感技术学报，2006，19（2）：337-340.
［3］刘红丽，李昌禧.一种测量微弱信号的锁定放大电路
设计［J ］.武汉理工大学学报，2002，26（5）：619-621.
第一作者简介：朱晓莉，女，1985年生，江西赣州人，硕士研究生。研究领域：检测技术及其自动化装置。
(编辑：阮
毅)
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节能补贴细则出炉：彩电空调每台最高补400元
备受关注的补贴细则方案正式出炉。财政部、国家发展改革委、工业和信息化部正式印
发《节能产品惠民工程高效节能房间空气调节器推广实施细则》和《节能产品惠民工程高效节能平板电视推广实施细则》。电视和空调的补贴实施细则于2012年6月1日正式实施，一级和二级能效的定速和变频空调、一级能效的部分液晶电视和等离子电视均能获得补贴，补贴额度最高为400元/台。这将对目前低迷的家电销售市场注入一剂强心针。
实施细则显示，空调和电视的节能惠民补贴政策的执行时间为2012年6月1日至2013年5月31日，在此时间段内，家用空调定速产品的一级及二级能效产品、变频空调的一级及二级能效产品均可享受政策补贴。值得注意的是，这是变频空调首次纳入全国性的节能补贴政策范畴。上述两类细则还对推广企业的条件提出了明确的要求。空调企业年推广高效节能空调数量不少于10万台（套），彩电企业年推广高效节能平板电视数量不少于50万台。
10万台（套）的节能空调推广数量门槛比较低，目前国内排名前几名的企业年推广节能
空调的数量都在百万台以上，10万台（套）的要求应该是照顾到了不少的中小企业。而彩电50万台的门槛则明显要高出许多，对三四级品牌来说压力不小，政策对龙头企业较为有利，
行业集中度将进一步提高。
在补贴的发放方式上，消费者在购买产品时提供本人身份证复印件，签署已获得补贴并
承诺配合有关检查意见后，推广企业将补贴资金兑付给消费者。这也就意味着国家补贴将直接发放给推广企业，由企业兑付给消费者。