一種帶移相功能的鎖相放大電路設(shè)計(jì)及仿真

李丹，張學(xué)聰，蔡靜

（航空工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

鎖相放大技術(shù)是從噪聲中提取微弱信號的重要技術(shù)之一，已經(jīng)在近紅外光譜信號提取、TDLAS傳感器測試氣體濃度或溫度、微弱生理信號檢測、蓄電池內(nèi)阻檢測、信號繼電器觸點(diǎn)接觸電阻檢測、光纖氣體傳感檢測系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用［1-10］。其基本原理是利用輸入信號和噪聲信號之間的互不相關(guān)性進(jìn)行相敏檢波處理，可以實(shí)現(xiàn)從信噪比較低的被測信號中提取完整的有用信號，大幅抑制背景干擾噪聲、提高檢測靈敏度以及信噪比，具有較高的穩(wěn)定性和靈活性［11］。商用的鎖相放大技術(shù)已發(fā)展成熟，但由于體積較大且功能繁雜，不能嵌入到電路的功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)中。目前，鎖相放大電路模塊又大多不具有移相功能。因此需要設(shè)計(jì)一種簡單易實(shí)現(xiàn)的帶移相功能的鎖相放大電路來滿足實(shí)際應(yīng)用。

1 鎖相放大電路總體設(shè)計(jì)

鎖相放大電路基于互相關(guān)原理進(jìn)行相敏檢波處理，噪聲信號與參考信號相乘后得到的倍頻及二倍頻信號可通過設(shè)計(jì)低通濾波電路濾除，因此可以從噪聲背景中提取有用信號。具體鎖相原理計(jì)算如下：

將輸入信號與參考信號相乘，得到兩者和頻、差頻及輸入信號與噪聲信號的乘積分量［2］，假設(shè)輸入信號為正弦波信號Msin（ωt+α），噪聲信號為n（t），參考信號為正弦波信號Nsin（ωt+β），則相敏檢波輸出V=（Msin（ωt+α）+n（t）*Nsin（ωt+β））。

由積化和差公式得到相敏檢波器的輸出為

在相敏檢波電路中，輸入信號與參考信號進(jìn)行乘法運(yùn)算，相位差決定了輸出幅值的大小及正負(fù)。如圖1所示，兩信號同相（相位差為0°）時(shí)，相敏檢波結(jié)果為正向正弦半波，經(jīng)過低通濾波后輸出信號正向最大；兩信號相位差90°時(shí)，低通濾波后輸出信號為0，信號反相（相位差為180°）時(shí)，低通濾波后輸出信號反向最大。因此為保證參考信號與輸入信號鎖相輸出直流信號最大，應(yīng)設(shè)計(jì)移相電路。

圖1 相敏檢波電路信號相位差不同的轉(zhuǎn)換波形

鎖相放大器電路設(shè)計(jì)如圖2所示，相敏檢波芯片應(yīng)用高性能芯片AD630，電路主要包括輸入信號通道、參考信號通道、移相、相敏檢波和低通濾波幾個(gè)部分。

圖2 鎖相放大電路組成及信號流向圖

2 電路實(shí)現(xiàn)及仿真

相敏檢波電路作為鎖相技術(shù)中的乘法器，其性能決定了微弱信號的檢測水平，選用高性能芯片AD630搭建，其內(nèi)部由運(yùn)算放大器A、運(yùn)算放大器B和比較器組成，由參考信號的幅值決定運(yùn)算放大器A或B工作，通道A和B隔離度超過100 dB。輸入信號和參考信號進(jìn)入相敏檢波電路處理后，通過基于OP07芯片設(shè)計(jì)的有源RC低通濾波后可得到直流有用信號，如圖3所示。

圖3 AD630相敏檢波及低通濾波電路示意圖

由于目標(biāo)輸入信號成分繁雜、頻率多樣，在輸入信號進(jìn)入鎖相芯片前設(shè)計(jì)帶寬較窄的帶通濾波電路，可去除高頻或低頻噪聲輸入，避免不同頻率噪聲干擾鎖相濾波功能，因此在輸入信號后端加入帶通濾波。

帶通濾波設(shè)計(jì)如下：選擇一個(gè)避開工頻50 Hz的頻率，應(yīng)用前置放大芯片OP07設(shè)計(jì)中心頻率為80 Hz，帶寬20 Hz的二階有源帶通濾波器。品質(zhì)因數(shù)為角頻率w0=2πf0，Au0為中心頻率處的增益，Au0=-1，C1=C2=0.01uF，得到：

結(jié)合電阻阻值的實(shí)際情況，分別選用1.5 MΩ，0.75 MΩ和25 KΩ阻值的電阻。根據(jù)鎖相放大電路的原理可知，當(dāng)參考信號與輸入信號同相或反相時(shí)，低通濾波器輸出的電壓幅值最大，而當(dāng)相位差為90°或270°時(shí)，輸出的電壓幅值為0，因此需要設(shè)計(jì)移相電路，調(diào)整參考信號的相位，使其與輸入信號同相或反相，保證電壓輸出幅值最大。

移相電路包括帶通濾波、0°～360°移相、比較器三個(gè)部分，考慮到如果參考信號為方波，直接進(jìn)行移相，輸出的波形有失真的現(xiàn)象，因此先經(jīng)過帶通濾波將方波變?yōu)檎也?，之后?jīng)過0°～360°移相進(jìn)入比較器輸出方波作為參考信號。

利用電容端電壓落后于電流90°的原理，OP07與RC電路構(gòu)成0°～180°移相電路。采用兩個(gè)180°移相電路級聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)0°～360°移相。其中帶通濾波與圖4設(shè)計(jì)一致，移相及比較器部分如圖5所示。

圖4 帶通濾波電路圖

圖5 移相電路圖

應(yīng)用仿真軟件對鎖相電路設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，并通過信號源提供輸入信號及參考信號，用示波器測試鎖相濾波后信號。通過調(diào)節(jié)0°～360°移相電路中的滑動(dòng)變阻器，可以調(diào)整參考信號的相位，將參考信號的相位調(diào)整到與輸入信號相位相同，保證輸出信號幅值最大，如圖6所示。

圖6 參考信號與輸入信號相位一致圖

為便于測試該鎖相放大電路從噪聲中提取有用信號的能力，采用加法器的方式給輸入信號疊加白噪聲，噪聲幅值設(shè)置為10 mV，如圖7所示。參考信號為方波0.5Vp-p（±1 V）。通過設(shè)置不同的輸入信號值0.01，0.02，0.1，0.2，0.4，1 mV，得到疊加噪聲前后的鎖相放大后低通濾波值，輸入信號與鎖相放大輸入值呈線性關(guān)系，如圖8所示。

圖7 噪聲信號（熱噪聲1000倍）

圖8 輸入電壓值與鎖相放大低通濾波輸出曲線

從圖8結(jié)果可以看出，輸入信號為0.01 mV時(shí)，疊加10 mV白噪聲的鎖相輸出可精確的逼近輸入信號值，因此該設(shè)計(jì)至少可以實(shí)現(xiàn)比噪聲小1000倍的信號的檢測。

3 結(jié)論

基于AD630相敏檢波芯片設(shè)計(jì)了一種帶移相功能的鎖相放大電路，通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，該鎖相放大電路至少可以從比信號大1000倍的噪聲中提取有用信號，并且移相功能簡單有效且操作方便。建議實(shí)際制作電路板時(shí)應(yīng)充分考慮PCB板繪制時(shí)的布線、屏蔽以及板材等多方面因素，提升該鎖相放大電路提取微弱信號的能力。