淺談鎖定放大器的設(shè)計(jì)

李方方邯鄲學(xué)院

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淺談鎖定放大器的設(shè)計(jì)

李方方
邯鄲學(xué)院

摘要：現(xiàn)時(shí)代，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，從噪聲中提取微弱的有用信號(hào)的技術(shù)日益完善，鎖定放大器的出現(xiàn)有效地實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)微弱信號(hào)的需求。本文給出了以相敏檢波器為核心，用于完成強(qiáng)干擾背景下uV級(jí)小信號(hào)的有效提取的鎖定放大器的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵字：鎖定放大器 相敏檢波 微弱信號(hào) 強(qiáng)噪聲

鎖定放大器是把待處理的信號(hào)中和參考信號(hào)同步的信號(hào)加以放大并提取出來，它的等效噪聲帶寬很窄，可以使儀器抑制噪聲的特性提升好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，有很強(qiáng)的抗噪聲性能。鎖定放大器是由信號(hào)通道、參考通道、相敏檢波電路以及輸出顯示電路四部分組成，各模塊相互配合實(shí)現(xiàn)檢測(cè)微弱信號(hào)的功能。該設(shè)計(jì)為檢測(cè)微弱信號(hào)提供了一種思路和一套解決方案，可廣泛地應(yīng)用于各大領(lǐng)域。

1　鎖定放大器原理分析

鎖定放大器是由信號(hào)通道模塊、參考通道模塊、相敏檢波器模塊和輸出顯示電路模塊構(gòu)成，對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行相敏檢波。選取一個(gè)和被檢測(cè)信號(hào)有相同頻率和相位的參考信號(hào)為比較基準(zhǔn)，所以被測(cè)信號(hào)本身以及與參考信號(hào)同頻、同相的噪聲分量可以被鎖定放大器響應(yīng)，因此它能夠大幅度抑制噪聲，提取出有用信號(hào)。鎖定放大器不僅能利用信號(hào)的頻率特性，還利用了信號(hào)的相位特點(diǎn)，即“鎖定”了被測(cè)信號(hào)的相位。它的等效噪聲帶寬極窄，這很大程度上抑制住了無用信號(hào)。

2　總體設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)外接信號(hào)源提供正弦波信號(hào)R（t），一路送信號(hào)通道，一路送參考通道，R（t）在信號(hào)通道中經(jīng)過衰減獲得待測(cè)微弱信號(hào)，將由同樣方式得到的干擾信號(hào)和待測(cè)微弱信號(hào)用加法器進(jìn)行疊加，疊加后的信號(hào)經(jīng)過交流放大器和帶通濾波器后送入相敏檢波器，R（t）在參考通道中經(jīng)過整形移相后，利用電壓比較器產(chǎn)生方波送入相敏檢波器，然后通過低通濾波器輸出直流信號(hào)并通過直流放大器進(jìn)行放大，該直流信號(hào)通過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理后在1602液晶屏上顯示出來。

3　各模塊設(shè)計(jì)介紹

3.1信號(hào)通道模塊

信號(hào)通道是由純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、加法器、交流放大器、帶通濾波器四部分組成。純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)使用電阻串聯(lián)分壓，電路比較簡(jiǎn)單，為了得到比較好的分壓效果，可以使用精密電阻。該設(shè)計(jì)需要將干擾加到電路中，所以用到同相加法電路，同相加法電路其實(shí)是同相比例放大電路和加法電路的合并。交流放大器使用兩級(jí)集成運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)交流放大。用低通濾波器和高通濾波器可以只允許某一個(gè)頻率段的信號(hào)通過。

3.2參考通道模塊

參考通道由觸發(fā)整形電路、移相電路組成。觸發(fā)整形電路是為了產(chǎn)生方波，實(shí)際上使用的是電壓比較器的特性，電壓比較器類似于放大倍數(shù)接近“無限大”的運(yùn)算放大器，它通過比較模擬量電壓和參考固定電壓，在兩者幅度相等的附近，輸出電壓發(fā)生跳變，輸出高電平或低電平，使用電壓比較器，最后可以將正弦信號(hào)變成方波信號(hào)。移相網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字移相的方法，由信號(hào)源產(chǎn)生的正弦波整形成方波后，單片機(jī)是利用延時(shí)的方法使方波的相位移動(dòng)。

3.3相敏檢波電路

相敏檢波器、低通濾波器和直流放大器三個(gè)模塊組成相敏檢波電路。相敏檢波器使用開關(guān)式乘法器，它的本質(zhì)就是對(duì)輸入的兩個(gè)信號(hào)的相位進(jìn)行檢波，當(dāng)輸入的兩個(gè)信號(hào)同頻同相時(shí)，相敏檢波器和全波整流的作用類似，檢波的輸出是最大的。低通濾波器可以用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，濾除頻率較高的分量。此處的直流放大器就是同相比例運(yùn)算放大器，直流放大器是為了調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍，使其調(diào)到一個(gè)合適的范圍，讓單片機(jī)采集。

3.4輸出顯示電路

輸出顯示電路由單片機(jī)、LCD1602液晶顯示屏組成。本設(shè)計(jì)可以采用STC12C5A60S2單片機(jī)，利用單片機(jī)本身帶有的A/D轉(zhuǎn)換功能，使模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)帶的A/D轉(zhuǎn)換功能是利用逐次比較的邏輯，由最高位開始，順序地比較每個(gè)輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，經(jīng)過比較，使轉(zhuǎn)換所得到的數(shù)字量逐次逼近輸入的模擬量的值，最后輸出數(shù)字量。可以使用LCD1602字符型液晶顯示屏顯示出最終的數(shù)字量。

4　結(jié)語

鎖定放大器的設(shè)計(jì)使從噪聲中檢測(cè)小信號(hào)的設(shè)想變成了可能。該設(shè)計(jì)主要基于模擬器件實(shí)現(xiàn)，噪聲源與干擾信號(hào)的疊加、衰減、濾波、檢波，最后A/D采樣處理并顯示，構(gòu)成一套完整的鎖定放大系統(tǒng)。鎖定放大器在檢測(cè)微弱信號(hào)方面做出了很大貢獻(xiàn)，它使微弱信號(hào)的檢測(cè)邁入了一個(gè)新的高度，它可以應(yīng)用到很多領(lǐng)域，為人類社會(huì)留下了一筆寶貴的財(cái)富。

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