弱信号锁相放大CD552_R3电路.pdf

第 23 卷 第 10 期 2010 年 10 月 传 感 技 术 学 报 CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS Vol 23No 10 Oct 2010 项目来源 国家自然基金资助项目 60977064 天津市科技支撑计划重点项目资助 09ZCKFGX01500 天津市应用基础项目 资助 10JCYBJC01400 收稿日期 2010 04 13修改日期 2010 05 04 CD552 R3 Lock in Amplifier Circuit for Weak Signal HE Mingxia QU Qiuhong LI Meng WANG Wenxia College of Precision Instrument and Opto Electronics Engineering and Centre for Terahertz Waves Tianjin University Tianjin 300072 China Abstract Lock in amplifier LIA technique is one of important metheds for weak signal detection A novel LIA cir cuit based on CD552 R3 phase sensitive detector is designed for the weak signal detection under strong background noise The performance test on amplitude discrimination phase discrimination and signal detection under noise of dif ferent levels has been completed with standard and noise mixed signals given by Multifunction Signal Generator The result shows that the CD552 R3 LIA circuit has good performance amplitude discrimination and phase discrimination Its linearity input output is above 0 9999 it can obtain Millivolt level signals under strong background noise and the signal noise ratio reaches 36 dB It means the LIA circuit can get weak signal under a noise background easily Key words noise weak signal phase sensitive detector Lock in amplifier CD552 R3 EEACC 1220 1250doi 10 3969 j issn 1004 1699 2010 10 019 弱信号锁相放大 CD552 R3 电路 何明霞 曲秋红 李萌 王文霞 天津大学精密仪器与光电子工程学院 天津大学太赫兹波中心 天津 300072 摘要 锁相放大电路是微弱信号检测的重要方法 基于 CD552 R3 相敏检波芯片设计了一种锁相放大电路 应用于大背景 噪声下微弱信号的检测 采用信号发生器产生的标准信号和染噪信号 对该锁相放大电路进行了鉴幅和鉴相性能测试 并在 不同强度噪声下对弱信号进行检测 测试结果表明 研制的锁相放大电路输出线性度高于 0 999 9 具有良好的鉴幅和鉴相特 性 能将信噪比为 36 dB 的毫伏级信号提取出来 可用于大背景噪声下微弱信号的检测 关键词 噪声 弱信号 相敏检波 锁相放大 CD552 R3 中图分类号 TP271文献标识码 A 文章编号 1004 1699 2010 10 1454 04 锁相放大技术又称为锁定放大技术 1 用于检测 伴随强背景噪声的微弱信号 有抗干扰能力强 能获 取被测量大小和方向的变化等优点 能非常有效地提 高测量精度 2 4 已被广泛应用于信号检测 5 7 和自 动控制 8 10 通常锁相放大电路分为模拟锁相放大 电路和数字锁相放大电路 其中模拟锁相放大电路 是以模拟乘法器为核心元件构成 而数字锁相放大电 路则是以数字信号处理器为核心元件构成 通常设 计的模拟锁相放大电路 电路结构复杂 体积比较大 动态性能比较差 因此 本文提出基于高性能高集成 度的芯片 CD552 R3 设计的一种功能型锁相放大电 路 该电路集成化程度高 外围电路简单以及信号线 性度高 适用于伴随强噪声的微弱信号的检测 1CD552 R3 锁相放大电路 基于 CD552 R3 的锁相放大电路的整体结构如 图 1 所示 主要由信号通道 参考通道 相敏检波器 PSD 和低通滤波器 LPF 组成 其中信号通道由 图 1 CD552 R3 锁相放大电路整体结构框图 第 10 期何明霞 曲秋红等 弱信号锁相放大 CD552 R3 电路 前置放大 带通滤波器和主放大电路三部分组成 用 于输入信号的预处理 被测信号 Vs经过调制后为 输入信号 x t 将输入信号选频放大 并滤除通频 带以外的部分噪声 以提高锁相放大电路的测量范 围和测量精度 参考通道主要由移相器电路组成 目的是调节参考信号和输入信号的相位差 该锁相放大电路的核心是相敏检波器 CD552 R3 芯片 该芯片是一个模拟乘法器 其输出信号 up t 是输入信号 x t 和参考信号 r t 的乘积 即 up t x t r t 1 设参考信号为 r t 周期为 T 角频率 幅值 是 Vr的方波信号 由傅里叶级数展开形式为 r t Vr 2 n 1 bnsin n t Vr 2 2Vr n 1 1 2n 1sin 2n 1 t 2 被测信号 Vs被与参考信号频率相同的载波信号调 制后 获得锁相放大电路的输入信号 x t 其周期 和角频率与参考信号相同 幅值为 Vs 可表示为 x t Vssin t 3 则式 2 与式 3 相乘后得相敏检波器的输出 up t 即 up t x t r t VrVs 2 sin t VrVs n 1 1 2n 1cos 2n 2 t VrVs n 1 1 2n 1cos 2n t 4 式 4 中 n 为整数 经过低通滤波器 LPF 后 式 4 中 n 1 的差频项和所有的和频项均被滤除 只剩 n 1 的差频项 uo 整理得 uo VrVs cos 5 由公式 5 可以得出 相敏检波器的输出 uo与 VsVr 的乘积项成正比 与输入信号和参考信号相位差 的余弦成正比 由于参考信号一般是幅值不变的 正弦信号或者方波信号 所以当相位差不变时 输 出信号 uo与 Vs成正比 因此 可通过 uo将幅值信 息 Vs提取出来 即实现了锁相放大电路的鉴幅功 能 当输入信号的 Vs一定时 输出信号 uo与两相 位差的余弦成正比 因此 可根据输出信号的变 化 检测两信号的相位差 即实现了锁相放大电 路的鉴相功能 通过该锁相放大电路可鉴别输入 信号幅值和相位变化 同时滤除了伴随被测信号 的大背景噪声 提高了被测信号的信噪比 2锁相放大电路性能测试 2 1锁相放大电路线性度测试 通常影响锁相放大电路线性度的因素很多 例 如前置放大电路中放大器的动态放大响应的失真 度 偏执电压及电路中电容的迟滞效应等都会对锁 相放大 电 路 的 线 性 度 产 生 影 响 11 其 中 影 响 CD552 R3 锁相放大电路线性度的最主要因素是 CD552 R3 芯片自身的线性度 线性度是指输出信 号与输入信号幅值的线性对应关系 是评价锁相放 大电路设计的一个重要参数 它表征了锁相放大电 路鉴幅特性的品质 用信号发生器 WF1974 输出频率和幅值分别为 1050Hz 和 5V 的方波信号作为该锁相放大电路的参 考信号 r t 同时输出与参考信号同频率同相位的 正弦信号作为锁相放大电路的输入信号 x t 改 变输入信号 x t 的幅值大小 由示波器测量每次电 路输出的幅值 得到输入电压与输出电压之间的关 系曲线 如图 2 所示 利用数据处理工具 Matlab 对 测量结果数据分析处理 建立输入输出回归方程为 y 4 518 7x 0 106 5 6 图 2输入输出电压关系曲线 线性相关系数为 0 999 96 大于置信度 0 01 时的相 关系数 0 721 回归方程极显著 说明输入输出电压 之间线性关系是真实的 当输入信号为 0 时 静态 输出为0 106 5 V 通过补偿电路可消除该静态输出 电压的影响 实验结果表明 在输入信号与参考信号同相 同频时 所设计电路的输入电压与输出电压有效 值之间线性相关系数为 0 999 96 即电路的鉴幅 特性很好 通过多次重复实验得出锁相放大电路 线性相关系数基本不变 即该电路具有稳定的线 性度 本电路在输入信号幅值取至几个毫伏时 进行线性度测量实验 实验表明输出没有明显的 非线性失真 线性相关系数在 0 9 以上 而采用一 般模拟乘法器设计的锁相放大电路在小信号时线 性度明显失真 12 5541 传感技术学报第 23 卷 2 2相位差与输出结果关系 由公式 5 可以看出 影响锁相放大电路输出 的另一个重要因素是两信号的相位差 相位差与 输出结果的对应关系反映了锁相放大电路鉴相特 性 同样 使用 WF1974 信号发生器产生两路信号 作为锁相放大电路的参考信号和输入信号 参考信 号与实验 1 的方波信号相同 输入信号为同频幅值 为 2 V 的正弦信号 通过调节移相器改变参考信号 的相位 测量输出电压幅值 从而得到相位差与输出 电压的关系曲线如图 3 所示 图 3相位差与输出电压关系曲线 由图 3 可以看出输出电压与相位差成余弦关 系 这也与公式 5 的推导结果相吻合 因此 在弱 信号幅值检测电路中可以将位相差调制到 0 或者 180 附近 从而检测到的输出幅值最大 提高测量 精度 在幅值不变的情况下 也可通过输出电压的幅 值变化来确定输入信号与参考信号的位相关系 这 就是锁相放大电路的鉴相功能 3噪声中弱信号检测验证 为验证锁相放大电路应用于背景噪声中微弱信 号的检测 本人对所设计的 CD552 R3 锁相放大电 路在有无噪声的情况下分别进行了微弱信号检测实 验 并进行比较 3 1无噪声情况下微弱信号的检测 选用频率为 1 Hz 的正弦信号作为被测信号 Vs 经频率 105 0 Hz 正弦载波信号调制后作为锁相放 大电路的输入信号 x t 如图 4 中幅值较小的深颜 色信号即为 x t 参考信号 r t 取频率为 105 0 Hz 幅值为 5 V 的标准方波 将两路信号分 别与锁相放大电路的输入端和参考端相连 由示波 器观察输出波形 通过调节移相器电路可以找到最 大的幅值输出 输出结果如图 4 所示 其中幅值较 小深颜色信号为调制信号即输入信号 x t 幅值较 大的正弦信号即提取出的被测信号 Vs 3 2不同噪声背景下微弱信号的检测 在毫伏级的输入信号中叠加不同强度的噪声信 图 4无噪声情况下输入与输出信号波形图 号 然后重复 3 1 的实验 观察电路的输出信号如图 图 5不同强度噪声下弱信号的提取 5 中图所示 图 5 a 是当噪声强度与信号强度为 1 1时 输入和输出信号的波形图 图 5 b 是当噪 声强度与信号强度为 10 1时 输入与输出信号的波 6541 第 10 期何明霞 曲秋红等 弱信号锁相放大 CD552 R3 电路 形图 图5 c 是当噪声强度与信号强度为35 1时 输入与输出信号的波形图 由图 5 中 a b 和 c 采集到的输入输出电压信号 的波形图 我们可以看出 本文设计的锁相放大电路 可以在背景噪声中将弱信号提取出来 并且信号没 有明显的失真 由实验 3 1 和 3 2 可得 对于相同的慢变被测 正弦信号 Vs 被同频率的 正弦波调制以后 变为 x t 不论有无噪声的叠加 经过 CD552 R3 锁相 放大电路的处理 都可以将慢变被测正弦信号 Vs检 测出来 当信噪比为 36 dB 该电路可将被测信号 在背景噪声中提取出来 4总结与展望 本文介绍了一种基于 CD552 R3 芯片的锁相放 大电路 该电路具有结构简单 集成度高 稳定性强和 重复性能好等特点 通过性能测试实验得出 相同条 件下多次重复实验输出误差小于0 01 电路的鉴幅 与鉴相特性良好 其电压输入输出值的线性相关度大 于0 999 9 利用该锁相放大电路检测不同强度噪声 背景下的微弱信号 能将淹没在噪声背景中信噪比为 36 dB 的毫伏级信号检测出来 该锁相放大电路信 号的失真度小于 1 综上 本文设计的 CD552 R3 锁相放大电路可用于大背景噪声低信噪比的毫伏级 弱信号的提取 例如可将其应用于太赫兹时域光谱仪 中大背景噪声下微弱太赫兹信号的检测 参考文献 1 高晋占 微弱信号检测 M 北京 清华大学出版社 2004 2 胡诞康 微弱信号的测量 J 电子质量 2005 5 1 4 3 Tang YJ Wang X Wang YQ et al Application of LIA Tech nique in NIR Spectrometer C Proceedings of the First Interna tional Symposium on Test Automation Instrumentation 2006 1 3 1913 1916 4 朱平 刘光达 田磊 等 光纤瓦斯气体检测中锁相放大器的设 计应用 J 仪表技术与传感器 2007 3 49 51 5 杨桂东 马慧莲 张旭琳 等 一种应用于谐振式微型光学陀螺 的高频锁相放大器的设计 J 传感技术学报 2005 18 4 863 866 6 郎利影 基于光学整流的 THz 时域光谱系统的研究 D 天 津大学 2006 45 49 7 赖发春 翟燕 用锁相放大器测量热敏电阻的温度特性 J 福建师范大学学报 2002 18 2 45 4