用于微弱信號(hào)檢測(cè)的簡(jiǎn)易鎖相放大器設(shè)計(jì)

(浙江工業(yè)大學(xué) 浙江 杭州 310000)

一、方案選擇與設(shè)計(jì)

(一)簡(jiǎn)易鎖相放大器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思路

鎖相放大器是利用了互相關(guān)的知識(shí)設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測(cè)儀[1-2]。它的主干部分是由三大模塊組成，信號(hào)輸入模塊，參考信號(hào)模塊，相敏檢波模塊，當(dāng)然為了更加方便觀察本設(shè)計(jì)中又加入了單片機(jī)的顯示模塊以及低通濾波模塊，以此來濾掉交流電噪聲信號(hào)，最后剩下所需要的直流電信號(hào)。

(二)參考信號(hào)產(chǎn)生的方案比較與選擇

參考信號(hào)模塊,在專業(yè)領(lǐng)域上也稱作“導(dǎo)頻”信號(hào)，它是一種已知的信號(hào)，是發(fā)射端傳遞給接收端的，往往被用于信道估計(jì)或信道探測(cè)。它可以直接從系統(tǒng)提供，也可從輸入信號(hào)端口提供，并且做和輸入信號(hào)相同的處理。

通過比較兩者，從輸入信號(hào)直接分流過來信號(hào)會(huì)使得操作更加的簡(jiǎn)單，并且有相同的初始相位便于后續(xù)處理，電路也會(huì)更簡(jiǎn)單和便于操作，方便后期調(diào)試測(cè)量。所以在本文設(shè)計(jì)的鎖相放大器中采用的是從輸入信號(hào)處分流一個(gè)相同的信號(hào)來作為參考信號(hào)用于后期處理，同源的信號(hào)相位相同，信號(hào)各項(xiàng)指標(biāo)也非常相近，方便后面的相敏檢波[3-4]。

(三)前端放大器的設(shè)計(jì)

方案一：使用可編程運(yùn)放PGA202,PGA203通過增益的不同組合實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)范圍1uV～100mV的選擇性放大，但是編程較為復(fù)雜。

方案二：使用常用運(yùn)放OPA134pa與電阻的組合來實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)為10～1000的變化，對(duì)輸入信號(hào)范圍1uV～100mV分別進(jìn)行不同選擇的放大，電路設(shè)計(jì)和使用都比較簡(jiǎn)單。

兩者相比而言，由于后者電路設(shè)計(jì)和使用都較為簡(jiǎn)單，因此本設(shè)計(jì)中采用運(yùn)放OPA134pa對(duì)不同信號(hào)的選擇性放大。

(四)移相方法的方案與選擇

方案一：數(shù)字移相：數(shù)字移相是一種功能蠻強(qiáng)大的移相手段，它能在4個(gè)象限內(nèi)從0～89°的移相，因此加到一起就實(shí)現(xiàn)了0到360°的移相，它是通過集成芯片來控制頻率和相位移動(dòng)，但是這種設(shè)計(jì)卻大大增加了鎖相放大器的復(fù)雜程度，并且提高了費(fèi)用，不經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

方案二：阻容移相：模擬移相電路采用了目前應(yīng)用最多的阻容移相。它的優(yōu)點(diǎn)在于電路非常的簡(jiǎn)單清楚，并且它的穩(wěn)定性好，唯一不足在于它的相角只能從0調(diào)到180°，但是可以通過級(jí)聯(lián)的方式來使相移達(dá)到0到360度。

因此通過比較，由于阻容相移電路會(huì)更加的方便、簡(jiǎn)單并且穩(wěn)定，所以在本文的設(shè)計(jì)中采用了阻容移相的辦法。

(五)乘法器的方案比較與選擇

方案一、集成模擬乘法器：模擬乘法器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作也非常困難，并且十分昂貴，稍有操作不慎容易損壞，對(duì)動(dòng)態(tài)和線性的要求極高，因此采用該方案會(huì)難以實(shí)現(xiàn)本文想要的結(jié)果；

方案二、cmos管控制的乘法器：cmos管控制的乘法器具有穩(wěn)定、便宜且精確率高的的優(yōu)點(diǎn)，是非常合適且誤差很小的相敏檢波器。

兩者相較而言，由于cmos管控制的乘法器具有便宜，且調(diào)試簡(jiǎn)單等各種優(yōu)點(diǎn)，所以在本設(shè)計(jì)中采用的是cmos管控制的乘法器。

二、鎖相放大器的設(shè)計(jì)

(一)總體設(shè)計(jì)思路

輸入被測(cè)信號(hào)和干擾信號(hào)通過精密運(yùn)放OPA134PA和電阻構(gòu)成的同向加法器進(jìn)行疊加，再經(jīng)過運(yùn)放和電阻構(gòu)成的同向比例放大器進(jìn)行100的放大，然后經(jīng)過帶通濾波器后將1500HZ的噪聲濾除掉，留下本文所需要的1000HZ的輸入信號(hào)。再讓濾波后得到的信號(hào)與參考信號(hào)一起進(jìn)入乘法器進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算Rxx，輸出信號(hào)再經(jīng)過低通濾波器濾波，將交流信號(hào)濾除掉后留下所需要的直流信號(hào)。接著將直流信號(hào)經(jīng)過放大后送入AD轉(zhuǎn)換芯片里，本設(shè)計(jì)中使用的是ADC0832，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)stc89c52只能處理數(shù)字信號(hào)，所以讓單片機(jī)處理完信號(hào)后再輸出到LCD1602顯示器里，最后顯示屏里面顯示輸入信號(hào)的電壓的有效值。

(二)放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.前置同向加法器的設(shè)計(jì)：

圖2-1 前置同向加法器的設(shè)計(jì)圖

如圖2-1 所示：精密運(yùn)放U7、和電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11構(gòu)成了同向加法器，它的作用就是將輸入信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行疊加再送入下級(jí)，它的放大比例是10倍。在鎖定放大器信號(hào)S(t)輸入端增加一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的加法器電路，是為了實(shí)現(xiàn)S(t)與干擾信號(hào)n(t)的1:1 疊加。其中運(yùn)放U7為OPA134PA,電阻R8=R9=R10=10K,而電阻R11=90K.

2.同向比例放大器的設(shè)計(jì)：

圖2-2 同向比例放大器的設(shè)計(jì)圖

在本部分的設(shè)計(jì)中，如圖2-2所示，精密運(yùn)放U6與電阻R12、電阻R13、電阻R14構(gòu)成了同向比例放大器，放大器將信號(hào)放大的倍數(shù)是100倍，其中運(yùn)放U6為OPA134PA,電阻R12=R13=10K,而R14=990K.

3.帶通濾波器的設(shè)計(jì)：

圖2-3 帶通濾波器的設(shè)計(jì)圖

如圖2-3所示，電阻R24、電阻R25、電阻R27、電阻R28與精密運(yùn)放U10以及電容C7、C6構(gòu)成了帶通濾波器，帶通濾波器的作用就是將疊加的信號(hào)中1500HZ的干擾信號(hào)濾除掉，留下1000HZ的被測(cè)信號(hào)進(jìn)入下級(jí)，并且在頻帶范圍為900Hz～1100Hz內(nèi)，通頻帶衰減小于3dB。其中運(yùn)放U10為OPA134PA,電阻R24=15.915K，電阻R25=2.251k，電阻R28=4.502K,R27=4.502K,C6=C7=100nF。

4.反相比例放大器的設(shè)計(jì)：

圖2-4 反相比例放大器的設(shè)計(jì)圖

在反相比例放大器電路中，如圖4-4所示，電阻R2與電阻R3與運(yùn)放U3:A構(gòu)成了一個(gè)反相比例放大器，放大倍數(shù)是R2:R3=1倍，放大倍數(shù)為1：1，只作為反相器的功能來用，并無放大縮小的功能，其中運(yùn)放U3:A是AD823,電阻R2=R3=10K.

5.同相跟隨器的設(shè)計(jì)：

圖2-5 同相跟隨器的設(shè)計(jì)圖

在同相跟隨器的電路中，如圖4-5所示，由于需要正反兩種信號(hào)以便后面疊加用，實(shí)現(xiàn)正反兩種信號(hào)即是使兩個(gè)信號(hào)的相位相差180度，同相跟隨器和反相器作用相似，但一個(gè)是為了反相，一個(gè)是為了同相，兩者都是乘法器的一部分，為了后面能持續(xù)輸出正相電流。其中運(yùn)放用的是AD823。

6.參考信號(hào)的設(shè)計(jì)：

第一部分：參考信號(hào)的信號(hào)源取自輸入信號(hào)。

圖2-6 參考信號(hào)加法器與放大器設(shè)計(jì)圖

如圖2-6所示，參考信號(hào)源來自輸入信號(hào)，且都是經(jīng)過相同的加法器與放大器處理的，功能也大致相同，加法器放大了10倍，放大器放大了100倍，電阻R18=R19=R21=10K,電阻R22=900K,電阻R20=90K，運(yùn)放U8、U9均為OPA134PA。

第二部分：移相部分。

圖2-7 移相部分設(shè)計(jì)圖

在移相電路中，如圖2-7所示，RV1與電阻R29、電阻R30、電阻R31、電容C8以及運(yùn)放U11組成了移相電路，移相電路滿足0到180度的移相，它是通過阻容RV1、C8完成移相的，r(t)的相位相對(duì)參考信號(hào)R(t)可連續(xù)或步進(jìn)移相180 度，步進(jìn)距可達(dá)到一度甚至更小。其中電阻R29=R30=10K,電阻R31=1K，電容C8=100nf。運(yùn)放U11用的是OPA134PA.

下面一個(gè)部分是反向器，移相之后還需要對(duì)一路信號(hào)進(jìn)行反相，運(yùn)放U5A與電阻R15、R16構(gòu)成了反相器，使得信號(hào)一路反相一路正相進(jìn)入乘法器模塊，其中電阻R16=R15=10K，運(yùn)放U5A是AD823。

7.乘法器的設(shè)計(jì)：

乘法器是整個(gè)鎖相放大器的關(guān)鍵部分，在乘法器電路中，如圖2-8所示電路，U4A、U4B是電壓比較器，參考點(diǎn)都是接地的，所以是0V，而U4A信號(hào)的接入點(diǎn)是U5A的輸入，但是U4B信號(hào)的接入點(diǎn)是U5A的輸出，因此可以知道，兩者的接入信號(hào)差了180度的相位.因?yàn)槭潜容^器，所以輸入的是正弦波，而輸出的是只有高低電平的同相方波，因此U4A、U4B的輸出信號(hào)是差了180度相位的方波。其中U4A、U4B都是AD826AP。

電路中電阻R5與R6均為限流電阻，防止電流過大損壞元器件，起到了保護(hù)電路的作用。其中R5=R6=22。

為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)的直流正信號(hào)輸出，這里采用了pmos管的特性。由于U4A、U4B的輸出信號(hào)是相距180度的方波信號(hào)，并且U3B(同相器)接的是U3A的輸入，U3A輸入接的是U10的信號(hào)，所以兩者的輸出也差了180度的相距，而U3A的信號(hào)是輸?shù)絈1中的，U3B的信號(hào)是進(jìn)入Q2中的。因此就會(huì)產(chǎn)生Q1打開的時(shí)候是個(gè)正信號(hào)，但同時(shí)正好Q2卻是一個(gè)負(fù)信號(hào)，且Q2無法打開。但當(dāng)Q2是正信號(hào)并且能打開的時(shí)候，Q1卻是一個(gè)不能打開的負(fù)信號(hào)，因此Q1、Q2就形成了遇正即開，遇負(fù)即關(guān)的狀態(tài)，Q1、Q2就通過這種形式一直把這個(gè)正信號(hào)傳遞到下面去。電路圖中電阻R7是負(fù)載電阻，也就是所謂的假負(fù)載，它的作用只是為了增加電路的穩(wěn)定性，電阻R7=1000k。

圖2-8 乘法器部分設(shè)計(jì)圖

8.低通濾波器的設(shè)計(jì)：

在低通濾波器電路中，如圖2-9所示，U5B是同相電壓跟隨器，目的是為了讓信號(hào)跟隨過去的同時(shí)將前級(jí)與后級(jí)隔離開，并通過U5B的直流信號(hào)使一個(gè)周期內(nèi)的正弦信號(hào)波均進(jìn)入了同一象限，即信號(hào)從交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成了直流信號(hào)。其中U5B用的是AD823。

圖2-9 低通濾波器的設(shè)計(jì)圖

在低通濾波電路中，R4與C4構(gòu)成了第一階低通濾波器，而C17與C5構(gòu)成了第二階的低通濾波器，兩階濾波器將上面參雜了的交流信號(hào)(噪聲信號(hào))通過地線導(dǎo)出，最后濾出直流信號(hào)。

9.單片機(jī)技術(shù)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的設(shè)計(jì)：

圖2-10 單片機(jī)技術(shù)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的設(shè)計(jì)圖

單片機(jī)技術(shù)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的電路中，如圖2-10所示，由于單片機(jī)無法識(shí)別正弦模擬信號(hào)，所以本文先用AD轉(zhuǎn)換芯片ADC0832，把實(shí)驗(yàn)中得到的正弦模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過數(shù)字信號(hào)通過單片機(jī)stc89c52進(jìn)行顯示。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曾慶勇. 微弱信號(hào)檢測(cè)[M]. 第二版. 杭州: 浙江大學(xué)出版社, 1986.

[2]戴逸松. 微弱信號(hào)檢測(cè)方法及儀器[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1994．

[3]高晉占. 微弱信號(hào)檢測(cè)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2011.

[4]劉俊，張斌珍. 微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005．

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)與分析

(一)輸入信號(hào)設(shè)置

外接信號(hào)源提供頻率為1kHz 的正弦波信號(hào)，輸入至參考信號(hào)R(t)端。R(t)通過自制電阻分壓網(wǎng)絡(luò)降壓接至被測(cè)信號(hào)S(t)端，S(t)幅度有效值為10μV～1mV。

圖5-1輸入信號(hào)設(shè)置圖

(二)輸入干擾信號(hào)設(shè)置

另一信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)頻率為1050～2100Hz 的正弦波信號(hào)，作為n(t)疊加在鎖定放大器的輸入端，信號(hào)幅度等于S(t)。n(t)亦可由與獲得S(t)同樣結(jié)構(gòu)的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)得到。鎖定放大器應(yīng)盡量降低n(t)對(duì)S(t)信號(hào)有效值測(cè)量的影響，測(cè)量誤差小于10%。并且增加n(t)幅度，使之等于10S(t).

圖3-2輸入干擾信號(hào)設(shè)置圖

(三)仿真結(jié)果

如圖3-3所示，通過單片機(jī)的運(yùn)算顯示，輸入電壓峰值0.1mv，實(shí)際有效值經(jīng)過換算為0.08mv，測(cè)量顯示值與S(t)有效值的誤差小于10%。

圖3-3仿真結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該鎖相放大器功能的成功實(shí)現(xiàn)，混合信號(hào)被濾除雜波，有用信號(hào)被放大，輸入信號(hào)電壓波形和輸出信號(hào)電壓波形一致，且成功進(jìn)行了放大，干擾信號(hào)被濾除。

四、 總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的鎖相放大器結(jié)合了數(shù)字鎖相放大器、模擬鎖相放大器和AD630的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)，以將幅度頻率遠(yuǎn)小于干擾信號(hào)的有用信號(hào)放大還原出來為目的，利用pmos管的開閉來持續(xù)輸出直流有用信號(hào)，最后通過濾波得到有用信號(hào)。根據(jù)仿真結(jié)果來看，此設(shè)計(jì)在成本和實(shí)際應(yīng)用上具有更高的性價(jià)比，適合需求較低的人使用。在對(duì)于提高輸出波形的準(zhǔn)確性上，可以采用數(shù)字鎖相放大器的內(nèi)部晶振時(shí)鐘源來做調(diào)制信號(hào)和參考信號(hào)能降低參考信號(hào)的不穩(wěn)定所帶來的誤差，使最后的輸出波形能夠更加的精確。

【參考文獻(xiàn)】

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