锁相放大器

2014江苏省大学生电子设计大赛参赛学校：参赛队编号：参赛队员：参赛试题：锁定放大器的设计（C题）2014年8月锁定放大器的设计（C题）摘要为了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，本系统基于锁定放大器设计了的微弱信号的检测装置。

本系统由纯电阻衰减网络、前级放大模块、同向加法器、相敏检波器、整形移相驱动电路、带通滤波器等多级滤波电路和LCD显示电路组成。

通过同向加法器和纯电阻衰减网络将信号和噪声进行叠加产生微小信号，之后采用检测电路和显示电路完成微小信号的检测和LCD显示。

本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，通过电压比较器产生方波以驱动乘法器AD630，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号，将该直流信号送入单片机处理后，经LCD显示信号幅值。

经过最终的测试，本系统能较好地完成检测微小信号的功能。

关键词：微弱信号强噪声移相器锁定放大相敏检波目录1系统设计 (1)1.1设计要求................................... 错误！未定义书签。

1.1.1设计任务.............................. 错误！未定义书签。

1.1.2 设计要求............................. 错误！未定义书签。

2系统方案 (3)2.1 方案比较与论证 (3)2.1.1 微弱信号检测电路方案比较论证 (3)2.1.2 移相电路模块方案比较论证 (3)2.1.3 纯电阻衰减网络方案比较论证 (4)2.1.4 前级放大模块方案比较论证 (4)2.2 总体方案论述 (5)3理论分析与计算 (6)3.1 锁定放大器原理 (6)3.2 相敏检波器分析 (6)3.3 移相网络原理 (7)4 电路与程序设计 (8)4.1 电路设计 (8)4.1.1 纯电阻衰减网络 (8)4.1.2 同向加法器 (9)4.1.3 前级放大电路........................ 错误！未定义书签。

04.1.4 移相电路............................ 错误！未定义书签。

14.1.5 带通滤波器.......................... 错误！未定义书签。

2 4.1.6 相敏检波器.......................... 错误！未定义书签。

34.2 程序设计................................. 错误！未定义书签。

44.2.1 测量结果标定........................ 错误！未定义书签。

45 测试方案与测试结果 (15)5.1测试仪器 (15)5.2 测试方案 (15)5.2.1 基本部分测试 (15)5.3 测试结果及分析 (16)6 总结 (17)参考文献 (17)1 系统设计1.1 设计要求1.1.1 设计任务设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器（LIA）。

锁定放大器基本组成框图见图1。

图1 锁定放大器基本组成结构框图1.1.2 设计要求（1）外接信号源提供频率为1kHz的正弦波信号，幅度自定，输入至参考信号R(t)端。

R(t)通过自制电阻分压网络降压接至被测信号S(t)端，S(t)幅度有效值为 10μV~1mV。

（2）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)可连续或步进移相180度，步进间距小于10度。

（3）信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。

误差小于20%。

（4）在锁定放大器输出端，设计一个能测量显示被测信号S(t)幅度有效值的电路。

测量显示值与S(t)有效值的误差小于10%。

（5）在锁定放大器信号S(t)输入端增加一个运放构成的加法器电路，实现S(t)与干扰信号n(t)的1:1叠加，如图2所示。

（6）用另一信号源产生一个频率为1050~2100Hz的正弦波信号，作为n(t)叠加在锁定放大器的输入端，信号幅度等于S(t)。

n(t)可由与获得S(t)同样结构的电阻分压网络得到。

锁定放大器应尽量降低n(t)对S(t)信号有效值测量的影响，测量误差小于10%。

（7）增加n(t)幅度，使之等于10S(t)，锁定放大器对S(t)信号有效值的测量误差小于10%。

（8）其他自主发挥。

图2 锁定放大器叠加噪声电路图2 系统方案2.1 方案比较与论证2.1.1 微信号检测电路方案比较论证方案一：采用取样积分电路检测利用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可倍，但它要求信号必须与触发同步，而且电路及元器件水平决定的动态范围，这种方法需要时间长，取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。

因此此方案不利于实际制作。

方案二：采用锁定放大器检测锁定放大器由信号通道、参考通道、和相敏检波器等组成，其中相敏检波器（PSD）是锁定放大器的核心，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，具有很好的检波特性。

方案三：采用窄带滤波器实现微弱信号检测窄带滤波器设计简单，电路复杂程度较低，但该窄带滤波器需要很高的Q值，当Q值很高时电路将不稳定，而且滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，这将给后面的电路测试带来很大的影响。

综合以上三种情况，由于该测试信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适合于锁定放大器的工作情况，故选择方案二。

2.1.2 移相网络模块方案比较论证因为移相网络是锁定放大器设计中的一部分，所以在此进行分析论证。

方案一：采用全通滤波器模拟移相电路，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。

方案二：模拟移相通过数字电位器、移相器和电压比较器，输入参考信号，经移相器进行相移，再通过一电压比较器输出方波，由此驱动乘法器。

而可在数字电位器上接入单片机，进行去噪处理。

方案三：数字移相利用FPGA或单片机对相移进行控制，数字移相可以在4个象限内进行0～89°的调节，合起来即实现了0～360°的移相，由集成芯片控制频率和相位预值。

综上三种方案，由于方案一实际元件搭建电路，系统误差和元件误差避免不了，从而致使测量结果存才不可预知的偏差，而方案三采用集成芯片控制，虽然控制精度高，但是电路复杂程度高，成本也很高，而方案二可通过手动席位调节，电路简单可靠，实用性高，因此我们采用方案二。

2.1.3 电阻衰减网络方案比较论证∏型网络，∏型网络性能较串联分压好，适合在电阻分压网络有串联分压型和高频的条件下工作，本题要求的电压范围较小，故采用高精度电阻作简单电路串联起来作为分压网络即可达到题目要求。

2.1.4 前级放大模块方案比较论证方案一：采用两级INA128放大采用两片INA128进行级联放大，级联简单且放大倍数稳定，但不可调节放大倍数，不便于电路的调节。

方案二：采用op07放大虽然op07失调电压低，开环增益高，但带宽较窄，可调性不高，同样不利于电路的调节。

方案三：采用可调节PGA204放大此方案使用一片PGA204代替方案一中的后级INA128，实现放大倍数可调，便于电路的调节控制。

综上方案，我们采用方案三。

2.2总体方案论述综上所述，本系统总体框图如下图所示，系统由电阻衰减网络，同向加法器，前置放大电路，带通滤波器，移相器，相敏检波器，低通滤波器和直流放大电路构成。

其中由1kHZ、1V的信号和1050HZ~2100HZ的噪声经过衰减器衰减后，同时送入由同相放大电路构成的加法器中进行叠加，使得信号湮灭在噪声中，然后将混合信号送入前级放大电路放大，经由带通滤波器滤波后，作为相敏检波器输入信号输入；再由初始的1kHZ、1V的信号同时送入移相网络、低通滤波进行检测，并经过电位比较器产生同样有效值的方波作为参考信号送入相敏检波器AD630。

本系统以相敏检波器为核心，将参考信号和滤波后的信号进行相乘检波，再经低通滤波器后输出直流信号并送入单片机进行A/D转化，最后在液晶屏上显示幅值。

3 理论分析与计算3.1 锁定放大器原理锁定放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成，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、同相的噪声分量有响应。

因此它能大幅度抑制噪声信号，提取出有用信号。

一般锁定放大器具有极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益可达220dB ，则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。

此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱信号检测的一种有效方法。

由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声能力。

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。

3.2 相敏检波器分析相敏检波器分为开关式乘法器和模拟乘法器，本设计采用开关式乘法器。

相敏检波器（PSD ）的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。

其中图4为相敏检波器的基本框图。

图4 PSD 基本框图工作过程如下：设输入信号为0()cos()s x t V t ωθ=+。

参考输入()r t 时幅度为r V ±的方波，其周期为T ，角频率为02/T ωπ=，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00011()cos sin m m m m r t a a m t b t ωω∞∞===++∑∑可得()r t 的傅里叶级数表示式为1014(1)()cos[(21)]21n r n V r t n t n ωπ+∞=-=--∑ 11001122(1)(1)()()()cos[(22)]cos(2)2121n n s rs r p n n V V V V u t x t r t n t n t n n ωθωθππ++∞∞==--==--++--∑∑g 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，1n >的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩1n =的差频项为2()cos s rp V V u t θπ=当方波幅度1r V =时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当()r t 为1+时，电子开关的输出连接到()x t ；当()r t 为1-时，电子开关的输出连接到()x t -，这时LPF 的输出为2()cos so V u t θπ= 当经过开关乘法器，角度之差为0时，输出信号最大。

3.3 移相网络必须加入移相网络是因为输出信号与信号的相位差有关。