2014年TI杯锁定放大器制作论文.doc

2014年TI杯竞赛陕西赛区设计报告封面（81190912 ）参赛队编号（参赛学校填写）学校编号组（队）编号选题编号摘要随着科学技术的发展，微弱信号检测技术应运而生。微弱信号检测技术是利用电子学、信息论和物理学的方法，研究被测信号的特点与相关性，分析噪声产生的原理和规律，检测被噪声背景淹没的微弱信号的一门新兴的科学技术，锁定放大器作为检测微弱信号的常用仪器，已被广泛应用于工业生产、科学研究、医疗设备等众多领域中。锁定放大器的设计由信号通道、相敏检波和带通滤波、参考信道三大主要模块组成;通过输入信号与同频参考信号的互相关计算，可以滤除绝大部分噪声，再经过低通滤波器输出直流信号，经AD采样后达到测量出小信号的目的。 关键字 相敏检测 滤波 放大 微弱信号检测 MSP430G2553 14ABSTRACTWith the development of science and technology ,the weak signal detection technology arises at the historic moment. Base on electronics ，information theory and physics methods,weak signal detection technology researches the characteristics of the measured signal and relevance of the background noise.Lock-in Amplifier is widely use in weak signal detection technology. Lock-in Amplifier design by the signal channel ,phase sensitive detection and low pass filtering , a reference channel of the three major modules. Through the input signals with same frequency reference signal cross-correlation calculation,can filter out most of the noise,after low pass filter output dc signal,after the AD sampling to measure the small signal. keywords phase-sensitive detection filtration amplification weak signal detection MSP430G2553目 录摘要 . I Abstract.II 第一章 绪论.11.1 锁相放大器的发展.11.2微弱信号检测锁定放大器.11.3锁定放大器设计内容.2第二章 系统方案设计.2.1 总体方案设计. 2.1.1总体设计思路. 2.1.2总体设计框图. 2.1.3各模块电路设计.2.2理论分析与计算. 2.2.1交流放大与带通滤波模块. 2.1.2移相器模块. 2.1.3相敏检波模块.第三章 软件设计部分.第四章 系统调试与测试.4.1数据记录.4.2误差分析第五章 参考文献 第一章 绪论1.1 锁相放大器的发展自从1962 年美国EG &G PARC(SIGNAL RECOVERY 公司的前身) 的第一台锁相放大器(Lock-in Amplifier，简称LIA)问世以来，在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，在科学研究的各个领域得到了广泛的应用，推动了物理、化学、生物、医学、地震、海洋等行业的发展。目前，微弱信号检测技术和仪器的不断进步已经在很多科学和技术领域中得到广泛的应用，未来科学研究不仅对微弱信号检测技术提出更高的要求，同时新的科学技术发展反过来促进了微弱信号检测新原理和新方法的诞生。早期的LIA 是由模拟电路实现的，随着数字技术的发展，出现了模拟与数字混合的LIA，这种LIA 只是在信号输入通道，参考信号通道和输出通道采用了数字滤波器来抑制噪声，或者在模拟锁相放大器（简称ALIA）的基础上多了一些模数转换（ADC）、数模转换（DAC）和各种通用数字接口功能，可以实现由计机控制、监视和显示等辅助功能，但其核心相敏检波器(PSD)或解调器仍是采用模拟电子技术实现的，本质上也是ALIA。直到相敏检波器或解调器用数字信号处理的方式实现后，就出现了数字锁相放大器（简称DLIA），DLIA 比ALIA 有许多突出的优点而倍受青睐，成为现在微弱信号检测研究的热点，但是大器的操作比较复杂，从而使其应用受到了限制。目前，具有自动扫频DDS 的锁相放大器从很大程度上改变了这一状况。1.2微弱信号检测锁定放大器 对于幅度较小的直流信号或慢变信号，为了防止1/f 噪声和直流放大的直流漂移（例如运算放大器输入失调电压的温度漂移）的不利影响，一般用调制器或斩波器将其变换成交流信号后，再进行放大和处理，用带通滤波器抑制宽带噪声，提高信噪比，之后再进行解调和低通滤波，以得到放大的被测信号。要达到足够的信噪比，用于提高信噪比的带通滤波器必须非常窄，Q 值必须非常高，在实际中往往很难实现。而且Q 值太高的带通滤波器往往不稳定，温度、电源电压的波动均会使滤波器的中心频率发生变化，从而导致器通频带不能覆盖信号频率，使得测量系统无法稳定可靠地进行测量。在这种情况下，利用锁相放大器可以很好地解决上述问题。在一些特殊的场合中，ALIA 仍然发挥着DLIA 不可替代的作用。通用的锁相放大器的操作比较复杂，从而使其应用受到了限制。目前，具有自动扫频DDS 的锁相放大器从很大程度上改变了这一状况。 锁相放大器抑制噪声有三个基本的出发点：一是用调制器将直流信号或慢变信号的频谱迁移到调制频率处，再进行放大，以避开1/f 噪声的不利影响，二是利用相敏检测器实现调制信号的解调过程，可以同时利用频率和相角进行检测，噪声和信号同频又同相的概率很低，三是用低通滤波器而不是利用带通滤波器来抑制宽带噪声。低通滤波器的频带可以做得很窄，而其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性优于带通滤波器。锁相放大器继承了调制放大器使用交流放大，而不使用直流放大的原理，从而避开了1/f 噪声，同时又用相敏检测器实现解调，用稳定性更高的低通滤波器取代带通滤波器实现窄带化过程，从而使检测的性能大为改善。近几年来，随着单片机技术、可编程逻辑器件(FPGA、CPLD) 及EDA 技术的飞速发展, MCU+FPGA/CPLD 最新设计理念和直接数字频率合成（DDS）技术应运而生。DDS 技术把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。1.3锁定放大器设计内容本文基于MCU+FPGA/CPLD 设计理念，采用直接数字频率合成（DDS）技术实现参考信号的产生。CPLD 具有静态可重复编程和在线动态重构特性，硬件的功能可像软件一样据需要可以灵活地调用,而硬件无需改动。采用DDS 全数字技术，由相位概念出发，存储多种波形的相位/幅值表，即可实现多路波形输出。用C 编程得到波形的相位/幅值表。对于各种不同的波形，只需在C 程序中写出波形的函数，把函数N 等分输出，即可在输出文件中得到波形的采样点数为N 的相位/幅值查找表，波形采样点足够多，波形精确。本文利用单片机MCU+FPGA/CPLD 实现DDS 技术，产生整个检测系统的参考信号。参考信号的产生灵活，可以根据被测信号的信息实时调整波形的频率、相位、幅值等参数。对于传感器输出信号是直流或慢变信号的，可以通过调制放大，而对于传感器输出信号是调制信号或载波信号的可直接利用单片机和CPLD产生相频率的相敏检测器的参考信号。同时由于硬件的可编程性，使得整个系统的设计修改和升级方便。整个检测系统操作简单，人机界面友好，具有很强的通用性。第2章 系统方案设计2.1 总体方案设计2.1.1总体设计思路信号源产生的信号经过纯电阻分压网络衰减100倍后进入微弱信号检测电路，微弱信号检测电路包括放大电路，带通滤波电路，移相器，低通滤波器，相敏检波电路等组成。由OP07，UA741CD,3DJ7J等芯片实现最后的检测及显示电路由MSP430的内置AD及1602液晶显示共同实现。2.1.2总体设计框图 信号通道低通滤波器相敏检波器带通滤波器交流放大器信号 x(t)S(t) 参考信道r(t)方波驱动参考信号触发整形移相器直流放大器参考R(t)1602显示2.1.3各模块电路设计1、交流放大与带通滤波模块该模块首先用纯电阻分压模块对被测信号进行衰减，再连接电压跟随器进行缓冲。选用两级集成运算放大器，选用两片UA741CD芯片，为使输入端在电源吸收能量的能力强，输出端带负载能力强，第一级电路采用串联反馈，第二级采用电压反馈。第一级放大10倍，第二级放大100倍。再选用选用两片UA741CD芯片构成RC滤波电路，RC滤波电路一般在低频范围内使用，该电路模块其带宽、增益、品质因数都容易调节，只要将高通滤波器电路和低通滤波器电路进行适当组合，即可获得带通滤波电路。带通滤波器使频带内的信号通过，而频带外的信号不通过，从而检测到被测信号。2、移相电路模块因为输出信号与信号的相位有关，所以必须加入移相网络。移相是指两种同频的信号，以其中一路为参考做超前或滞后的移动。本设计采用RC移相电路。我们一般将RC与运放联系起来组成有源的移相电路。实际上很多有源滤波器都有移相作用，在有源滤波器中主要考虑的是电路的幅频特性，而在移相电路中我们更看重相频特性。3、相敏检波电路模块相敏检波电路主要由信号通道，参考通道相敏检波器构成。信号通道把输入的被测信号选频放大后，输给相敏检波器的一端；参考通道在参考信号的触发下，输出相位可调的方波。相敏检波器比较两路信号后输出直流信号，直流放大器经低通滤波后进一步放大输出直流信号其幅度与两路输入信号幅度和他们的相位差成比例。相敏检测器是锁相放大器的核心部件。相敏检测器鉴幅又鉴相，它的输出不但取决于输入信号的幅度，而且取决于输入信号与参考信号的相位差。常用的相敏检测器有模拟乘法器式和电子开关式，实际上电子开关式相敏检测器相当于参考信号为方波的情况下的模拟乘法器。4、 1602显示模块 所谓1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。2.2理论分析与计算2.2.1交流放大与带通滤波模块该模块电路分别包含分压网络、电压跟随器、加法器、两级交流放大电路、带通滤波电路等部分组成。1、 电阻分压网络 设计的电阻分压网络如图1所示。其中R1是200千欧的固定电阻，R是200欧的滑动电阻，R2是2欧的固定电阻。衰减倍数A=R2/(R1+R2）,根据此参数做成如图的电阻分压网络产生的信号是S(t)。当输入信号为1V和1kHZ的正弦波时，就会得到满足要求的幅度有效值为10uv-1mV的S(t)。图1.电阻分压网络I=1/(200*103+(2+R13)当R13=100时U0=IR=1/(200*103+(2+R13)*(2+R13) =509.74uV2、电压跟随器作用也称为阻抗变化器，起缓冲作用，跟随器是一种电子线路，其输出信号基本等同于输入信号，但提高了带负载能力。电压跟随器，就是输出电压与输入电压是相同的，电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，可以显著增强对后继的驱动能力。 3、加法电路本电路采用同相加法电路，其原理图见图2。使用集成芯片UA741CD构成一个运放电路，其中R14=R15=R16=R17,阻值为10千欧，这样可以实现S(t)与干扰信号n(t)的1:1叠合。 图2.加法电路 4、两级交流放大电路 使用两级集成运算放大器，选用两个741.且为使输入端在电源吸收能量的能力强，输出端带负载能力强，第一集电路采用串联反馈，第二集采用电压反馈。第一集放大10倍，第二集放大100倍。系统仿真图如图3。