锁相放大器

2014江苏省大学生电子设计大赛

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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。0

4.1.4 移相电路............................ 错误！未定义书签。1

4.1.5 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。3

4.2 程序设计................................. 错误！未定义书签。4

4.2.1 测量结果标定........................ 错误！未定义书签。4

5 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