锁定放大器设计毕业论文

锁定放大器的设计摘要本系统为一个用来检测微弱信号并且能够抗干扰的锁定放大器（LIA）装置,采用MSP430G2553单片机作为系统的核心控制器件，用ADS1115集成A/D转换芯片将放大后的微弱信号采集回来在通过程序缩小相同的倍数之后显示在液晶上。由信号衰减模块、交流放大模块、带通滤波模块、加法器模块、触发整形模块、移相模块、相敏检波模块、低通滤波模块、直流放大模块、5V稳压模块、A/D数据采集模块、LCD显示模块、单片机驱动模块组成。具有参考信号步进移相间距小、信号通道通频带窄、数据采集及输出精度高、抗干扰能力强等特点。关键词锁定放大微弱信号检测抗干扰相敏检波移相MSP430ADS1112LCD12864一、系统方案设计与比较根据本设计的要求，要完成微弱正弦信号的检测并显示其有效值，且要求达到一定精度。为实现此功能，本设计提出的总体方案如图1所示。1、控制系统的方案论证方案一51单片机51单片机可以直接对I/O口进行进行位操作，寄存器的配置操作简单，因此寄存器的数量功能也十分有限。而且不能捕捉跳变沿捕获，也不能输出PWM。方案二430单片机速度快，功耗低，外设丰富，有捕获模块，移相效果好。由于此设计移相时需要用捕获信号来实现，故此设计更适合用430单片机。、带通滤波器的方案论证方案一此方案由一个低通滤波器与一个高通滤波器级联而成，此电路可以实现带通滤波的功能，但通带不够平坦。方案二采用两个有源带通滤波器级联,与方案一相比，不同的中心频率，但其通带更加平坦，效果更好故选用方案二。3、相敏检波器的设计方案一开关式乘法器即变频器，其中的MOS管起一个开关的作用，但输入容较大，输出波形会出现毛刺。方案二同为开关式乘法器，其中结型场效应管起着开关作用，其输入电容电压较小，故输出波形毛刺较小，效果好，故选用方案二。4、移相器的设计方案一桥式RC模拟移相。采用该方案需要可变电容器，手动调节步进间距，步进间距很难控制。方案二数字移向器不需要复杂的硬件电路，只需要程序就能实现，而且还能连续图1锁定放大器基本组成结构框图交流放大器相敏检波器直流放大器低通滤波器带通滤波器触发整形MSP430移相方波驱动参考输出RT信号XT信号通道参考通道ST显示RT交流放大器带通滤波器信号XT锁定放大器图2锁定放大器叠加噪声电路图ST加法器NTNTSTNTNT步进移相，步进间距可以自定，便以控制。故采用此方案。二、理论分析与计算1、外接信号源的幅度分析与计算外接信号源的幅度有效值设计为大约11MV1V,输入至参考信号R（T）端，然后经过由100千欧和100欧自制的电阻分压网络降压接至被测信号S（T）端，则可达到题目要求的ST幅度有效值为10UV1MV。2、交流放大器的放大倍数分析与计算流入ST的信号经两个反相比例放大器放大，一个放大33倍，两个就放大1089倍。3、带通滤波器电路的分析与计算信号经过两个带通滤波器后达到了带通滤波的目的，且限制频带范围为900HZ1100HZ，误差能够达到题目要求。4、移相器电路的分析与计算设步近角为X度，计数Y,X/360Y/16000000/1MSY/16000,则X360Y/16000,令Y222,则X大约为5，程序就以这样的计算方式来控制MSP430以此满足题目要求。5、相敏检波器模块的分析与计算被测信号ST、参考信号RT和NT干扰信号及进入相敏滤波器，相敏滤波器把输入的信号的频谱进行迁移，迁移后形状不变。三、电路设计1、加法器和交流放大器模块电路此部分由RT利用电阻分压作为被测信号输入到ST端,利用加法器将干扰信号与被测信号进行叠加，并且采用了继电器来代替普通开关，使电路更智能化。如图三所示。0K96UFC7GNDUTL8M信图3加法器与交流放大器2、带通滤波器模块电路带通滤波采用两级带通滤波，经实际测量通频带在910HZ1105HZ。如图4所示。43NFC1560KR278UTLGND信图4带通滤波器3、触发整形模块电路此电路由过零比较器来实现把正弦波整形为方波。T图5过零比较器4、MSP430移相模块电路和用12864显示模块此电路以MSP430为控制中心原件来实现参考信号的移相功能，且通过程序控制ADS1115、MSP430及LCD12864来实现输出信号的显示。VPASI9JIOCKEBYPXOE/W图6MSP430控制显示及移相电路5、相敏检波模块用JFETN来充当一个开关的作用，从而实现相敏检波的功能，此后再加一个跟随器，减小输出电阻，减小负载对电路的影响。47KR2518GND信3UTL0JFE图7相敏检波电路6、低通滤波模块采用两级有源低通滤波器，截止频率10HZ左右。UCTL9图8两级低通滤波器7、直流放大模块图9直流放大电路四、程序设计1、重要模块程序的实现（1）MSP430移相模块此模块主要由程序来控制MSP430实现，输入方波后，MSP430进行捕捉。当捕捉到信号的上升沿时，定时改变相位，P10输出为1；当捕捉到信号的下降沿时，定时改变相位，P10输出为0。则实现了移相的功能。（2）ADS1115采集与LCD12864显示模块输出的模拟信号信号经过ADS1115转换为数字信号，再通过12864把得到的数字信号显示出来，此过程都由AD转换程序和LCD12864显示程序进行控制。2、主要程序流程图（移相与显示）开始输入方波MSP430捕捉捕捉到上升沿定时改变相位捕捉到下降沿定时改变相位P10输出为1P10输出为0开始由MSP430输出信号ADS1112采集LCD12864显示图10移相与显示程序流程图五、作品测试1、测试仪器DH1718D2型双路跟踪稳压稳流电源、TFG1005DDS函数信号发生器，DS5022型号的示波器、台式万用表。2、测试方案用信号发生器产生一路1KHZ/2VVPP的正弦波送至参考信号RT端，再产生另一路1050HZ2100HZ幅度相同的正弦波作为干扰信号NT,各级输入输出信号端都留有检测端子，加上输入信号之后只需用示波器观测各观测点的输出波形，然后分析每个观测点的输出波形及频率特性，改变NT的幅度继续分析。3、测试结果1移相电路测试参考信号RT为1KHZ正弦波，峰峰值为1V，本方案采用数字移相，步进角为5度，实际测试采用双踪示波器进行，结果如表2所示。表2RT相移（度）测试结果度误差15512230300100339090050054180180201（2）通频带测试理论值测量值误差9001100905111005（3）无噪声输入下结果测试本系统增益为1000倍，输出采用万用表测量其有效值，结果如表3所示。表3输入信号ST理论值测量值误差11V035850357V04205V01790174V2411噪声输入下结果测试表4输入信号ST理论值测量值误差11V035850352V394205V0179016585110噪声输入结果测试表5输入信号ST理论值测量值误差11V035850352V394205V01790165V84、结果分析电阻分压网络正常衰减输入信号，交流直流放大器均正常放大。带通滤波器的低频截止频率为910HZ，高频截止频率为1105HZ，通频带大致在900HZ1100HZ的范围左右，误差5。移相器是通过单片机定时器实现，能实现连续等间距步进，步进幅度5，小于10。相敏检波器能正常输出相应的信号，工作正常。由于一级低通滤波的效果不太理想，所以我们采用的两级滤波，截止频率为10HZ左右。AD数据转换器能正常采集数据并通过单片机处理现实在液晶上,误差较小。改变干扰信号的幅度，经过带通滤波器后基本被滤掉，输出信号基本不产生变化。六、总结本系统将数字电路和模拟电路有效的结合，实现了检测微弱信号的功能。此电路用加法器将干扰信号与被测信号叠加，参考信号通过电阻分压功能降压后与被测信号输入端相连，然后经过交流放大器（此部分采用了继电器，使设计更智能化）对输入的信号两级放大，然后通过带通滤波器滤波；参考信号经过过零比较器与由MSP430控制的移相电路得到RT,接着将RT与带通滤波器输出的信号进行相频检测，得到的信号再依次经过带通跟随器、低通滤波器，直流放大器，输出的信号再进行AD转换，再将信号由LCD12864显示出来。各项指标都已达到题目要求，且精度高、智能化。参考文献1李智奇著MSP430系列低功耗单片机原理与设计西安电子科技大学出版社,20082谭浩强著C语言程序设计第三版清华大学出版社,20053胡大可