一种测量微弱信号的锁定放大电路设计

第２６卷　第５期　２００２年１Ｏ月　武汉理工大学学报（鸯至袭差）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．５　ＯＣｔ．２００２　一种测量微弱信号的锁定放大电路设计　刘红丽　李昌禧　（华中科技大学控制科学与工程系　武汉４３００７４）　摘要：分析了基于相关技术测量微弱信号的锁定放大电路的工作原理和各组成部分．针对非接触　式基于多磁场涡流效应的ＤＣ微小电流传感器，设计了一种实用的锁定放大电路，并进行了实验性　研究．研究结果表明：采用了锁定放大电路ＤＣ微小电流传感器可直接测量１　ｍＡ以下ＤＣ微小电　流，灵敏度可达２０　ｍＶ／ｍＡ．锁定放大电路不仅能测量周期信号，还能测量非周期信号，后者可通　过调制的方法将其变成周期信号再进行测量．　关键词；微弱信号；锁定放大电路；非接触式　中图法分类号：ＴＰ２７４　锁定放大电路利用相关检测技术，基于互相　关原理，使输入待测的微弱周期信号与频率相同　的参考信号在相关器中实现互相关，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．　锁定放大电路的工作原理啪　锁定放大电路检测微弱信号采用了互相关原　理，利用参考信号与输入的有用信号具有相关性，　而参考信号与噪声互不相关，通过相敏检波及低　通滤波完成互相关运算，从而达到抑制噪声的目　的．互相关原理图如图１所示．　：　蹦　参考信号　（ｆ）—＋　图１互相关原理图　设输入信号　（￡）＝　（￡）＋　（￡）　式中：　，（￡）为有用的输入信号，ｎ（￡）为噪声．　参考信号　ｆ。（￡）＝　。（￡）　则二者的互相关函数为　１　Ｒ，ｚ（　）　Ｊ一　ｆｌ（ｔ）ｆｚ（ｔ—ｒ）ｄｔ：　１　Ｅ￣＋Ｊ－ＴＳ１（ｔ）ｓ２０一ｒ）ｄｔ＋　Ｊ＿Ｔｎ０）ｓ２０＿ｒ）ｄ小＝　Ｒ　ｌ　２（ｒ）＋Ｒ耵２（ｒ）：Ｒ，ｌ　２（ｒ）　（１）　由于参考信号与噪声不相关，当ｒ一∞时，　Ｒ　（ｒ）：０，因此互相关接收的只有输入信号与参　考信号的相关输出，去掉了噪声项，提高了输出信　噪比．互相关函数关键是两函数相乘，即Ｓ，（￡）×　Ｓｚ（￡），通常可用锁定放大电路中的相敏检波器来　完成．相敏检波器相当于模拟乘法器，其输出是输　入信号和参考信号的乘积．在锁定放大器中，参考　信号只能是和待测信号同步的方波．　设实验研究用的非接触式ＤＣ微小传感器的　输出信号为带噪声的调幅正弦波　ｉ０）＝ＥｌＣＯＳ∞　ｔｃｏｓ∞０ｔ＋　（￡）　＝÷ＥｉＣＯＳ（　＋￣ｏｍ）ｔ＋　．去－Ｅｉｃｏｓ（∞０一￣ｏｍ）ｔ＋，ｚ（￡）　（２）　式中：‰为调制频率；￣ｔＡ０为载波频率；Ｅ；为幅值；　（￡）为噪声．　参考信号的傅氏级数表示式为　Ｅ　ｃ。ｓ［（２　＋１　ｆ］（３）　式中：Ｅ　为方波的幅值；志＝０，１，２，…；∞，为方波　基波频率．　收稿日期：２００２—０６—１３　

刘红丽：女，３４岁，讲师，博士生，主要研究领域为传感器和检测技术　维普资讯 http://www.cqvip.com ・６２０・　武汉理工大学学报（交通科学与工程版）　２００２年第２６卷　相敏检波器的输出为　：＝＝　ｃｏｓ　十‰十　（２足十１　］Ｈ　ｃ。ｓ［　。＋０　ｊ＝…’。一　ｍ一（２足十１　］Ｈ　ｃ。ｓ［叫。一　ｍ＋　＋１　］　ｃｏｓ　一　ｍ一　＋１　¨　×　ＣＯＳ［（２足十１）ｃ￡）ｌｆ］　（ｆ）　（４）　从式（４）可以看出，相敏检波器的输出项的最　后项为零，前４项包含了信号频率（　。＋‰，　ｏ一　‰）与全部方波基频　的奇次谐波的和频与差频　的大量谐波分量．在同步的情况下，相敏检波器的　谐波响应与谐波数（２ｎ＋１）成反比．当输入信号的　载波频率与参考信号频率的基波相等，即　。一　信　时，分出足＝０次项，则式（４）为　Ｖ。２：Ｅｉ．．ＥＲ￣＿ＣＯＳ（２ｃ￡）。十（￡）　）￡＋　ＣＯＳ（２　０一叫　）ｆ＋２ｃｏｓｗ　ｆ］　（５）　由于载波频率　。远大于被检测信号的频率　，在相敏检波器的输出端接一个低通滤波器　ＬＰＦ，可滤掉高次谐波成分和　。　的前两项，其输　出电压为调制信号，即　。３：ｆ．＿２ＥｉＥＲｃ。ｓ　ｆ　（６）　式中：ｆ为常数．　２　锁定放大电路的组成　根据锁定放大电路的工作原理设计电路．锁　定放大器可分为３个主要部分：信号通道、参考通　道、相敏检波及低通滤波器ＬＰＦ．其框图如图２．　相敏　检波　电路　图２锁定放大器的简化框图　信号通道由ＡＣ前置放大电路、带通滤波电　电路将低通滤波器输出的交流信号转换为直流电　路及选频放大电路组成．其作用是将伴有噪声的　压，便于测量和与计算机接口．　输入信号放大，并经选频放大对噪声作初步处理．　参考通道由方波发生电路和移相电路组成，其作　用是提供一个与输入信号同相的方波，调整移相　电路使参考信号与有用信号相位一致，从而信噪　比改善为最佳．相敏检波的作用是对输入信号和　参考信号完成乘法运算，得到二者的和频与差频　的谐波信号，经过低通滤波器滤掉高次谐波和高　频信号成分，这时的等效噪声带宽很窄，从而可以　提取深埋在噪声中的微弱信号．精密交直流转换　正弦波　发生电路　正弦波　发生电路　模拟　乘法器　３　应用举例　根据锁定放大电路的工作原理及组成，针对　非接触式基于多磁场涡流效应的ＤＣ微小电流传　感器［２］，设计了相应的测量电路，并进行了实验性　研究．该传感器的测量电路方框图如图３所示．　正弦波发生电路采用高稳定性的ＲＣ振荡电　路［３］，它们产生的调制信号厂ｍ和载波信号厂０同　Ｉ被测直流电流，ａ　晶振和分　频电路　冀妻誓流　转抉电路　Ｉ　一　ｌ移相电路ｌ　Ｉ　滤波器Ｉ　Ｉ解调　—　—－－１放大　锁定放大电路　图３

非接触式基于多磁场涡流效应的ＤＣ微小电流传感器的测量电路　维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期　刘红丽等：一种测量微弱信号的锁定放大电路设计　・６２１‘　时加在模拟乘法器ＭＣ１４９６的输入端，该乘法器　输出的调幅波电流信号ｆ（￡）经功率放大器　ＴＤＡ２０３０放大后直接加在非接触式基于多磁场　涡流效应ＤＣ微小电流传感器的激励绕组上．选　择载波频率ｆ０＝３　９１０　Ｈｚ，调制频率　＝３９１　Ｈｚ．传感器的输出为如式（２）所示带噪声调幅波．　调制信号的幅值与被测ＤＣ微小电流存在正比例　的关系，只要检测出被调制信号的幅值，便可得到　被测的ＤＣ微小电流大小，从而达到测量的目的．　前置放大器选择高精度自稳零斩波集成运算　放大器ＩＣＬ７６５０，其共模抑制比、电压抑制比、上　升速度和开环增益均很高，外接元件少，使用较灵　活，适宜对微弱信号进行放大．晶振和分频电路采　用２Ｍ石英晶振与分频器ＣＣ４０２０，产生方波信　号，如式（３）所示，方波频率为７　８１２　ｋＨｚ，与载波　频率相等．０。～１８０。的移相电路使方波信号可在　１８Ｏ。的范围内改变相位，与调幅波同相，使输出信　噪比最大．　相敏检波器采用高精度同步解调器ＡＤ６３０，　ＡＤ６３０相当于一个模拟乘法器，将传感器的输出　电压和参考的方波电压相乘，适用于从含有干扰　噪声的调幅波中精密检出被调制的信号．ＡＤ６３０　的输出电压如式（４）．低通滤波器的中心频率选择　为３９１　Ｈｚ，可很好地滤掉相敏检波器输出信号中　的高次谐波和高频信号，其输出电压如式（６）．精　密交一直流转换电路由全波整流电路和滤波电容　组成，其作用是将低通滤波器输出的交流信号转　换为直流信号，既便于用高精度的数字万用表进　行直接测量，也便于对微弱信号的智能化测量．　表１是将上述电路应用到非接触式基于多磁　场涡流效应的ＤＣ微小电流传感器上进行实验性　研究所得到的实验结果．实验结果表明：该传感器　的灵敏度可达２０ｍＶ／ｍＡ，精度为０．０５　．由此　可见，这是一种高精度、实用的锁定放大电路．　表１　ＤＣ微小电流传感器采用　锁定放大器的实验结果　被测直流　锁定放大器　微小电流／ｍＡ　输出电压／ｍＶ　３　结束语　锁定放大电路具有极强的抗噪声性能，它和　一般的交流放大电路不同，输出的信号并不是对　待测信号的简单放大，而是把待测信号中与参考　信号同步的那部分信号放大检测出来，并变成相　应的直流信号．该电路主要用来测量周期性电压　或电流信号，对于非周期性的电压或电流信号，可　通过调制方法将其调制成周期信号再进行测量．　该电路还适用于其他一些微弱信号传感器，根据　传感器输出信号的频率，只须改变正弦波发生电　路以及方波发生电路的某些参数即可．　参考文献　１　曾庆勇．微弱信号检测．杭州：浙江大学出版社，１９９４．　４７～１Ｏ５　２刘红丽．一种非接触式ＤＣ微小电流传感器的研究．　武汉交通科技大学学报，１９９８，２２（３）：２９８～３００　３李瑞麟．高稳定性的ＲＣ振荡电路．电测与仪表，１９９２　（９）：３７～３８　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｌｏｃｋ—－ｉｎ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔＯ　Ｍｅａｓｕｒｅ　Ｗｅａｋ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｌｉｕ　Ｈｏｎｇｌｉ　Ｌｉ　Ｃｈａｎｇｘｉ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨＵ　ＳＴ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉ＇ｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｅｖｅｒｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｌｏｃｋ—ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＬＩＡ）ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｅｉｎｇ　ａｉｍｅｄ　ａｔ　ａ　ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ　ｔｙｐｅ　ＤＣ　ｗｅａｋ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ　ｍｕｈｉｆｉｅｌｄ　ｅｄｄｙ—ｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔｓ，ａ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ＬＩＡ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅ—　ｓｅａｒｃｈｅｓ　ａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＤＣ　ｗｅａｋ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ＬＩＡ　ｃａｎ　ｍｅａｓｕｒｅ　ＤＣ　ｗｅａｋ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　ｌｍＡ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｗｉｔｈ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　２０ｍＶ／ｍＡ．ＬＩＡ　ｍａｙ　ｎｏｔ　ｏｎｌｖ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｓｉｇｎａｌｓ＇ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｎｏｎ—ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｓｉｇｎａｌｓ　ａｆｔｅｒ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｓｉｇｎａｌｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌ；ｌｏｃｋ—ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｅｒ；ｎｏｎ　ｃｏｎｔａｃｔ

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