锁定放大器实验报告

1、A6 ：潘美方、于溪、石汶奇 锁定放大器的设计（C题）摘 要本系统是基于锁定放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声的影响下微弱正弦波的幅值。本系统由纯电阻分压网络、加法器、交流放大器、带通滤波器、滞回比较器、相敏检波器、低通滤波器和直流放大电路组成。本系统是以相敏检波器为核心，参考信号经过移相后，通过滞回比较器触发整形产生方波。移相电路用于调整方波与正弦波相位一致性，开关乘法器CD4053在方波的驱动下对正弦波进行全波整流，最后通过低通滤波器和直流放大器检测出微弱信号，并通过MCU采样，在液晶屏上显示微弱信号的幅度。经最终的测试，系统能较好的完成微弱信号的检测。 Abstract This

2、 system is a device for weak signal detection based on Lock-in amplifier,which can be used to detect the weak amplitude sine wave under the influence of strong noise.The system consists of a purely resistive divider network,adders,AC amplifier,a bandpass filter,hysteresis comparator,phrase sensitive

3、 detector,a low-pass filter and a DC amplifier circuit.The phrase shifter is for adjusting the phase of the square wave and sine wave consistency,with switch multiplier CD4053 driving under the square wave full-wave rectified sine wave.Finally, after go through the low-pass filter and a DC amplifier

4、,we detect the weak signal with sampling by MCU, and display the amplitude of the weak signal on the LCD screen.After the final test, the system can complete the detection of weak signals well.1 系统方案1.1 方案比较与选择1.1.1 触发整形电路 方案一：采用单限比较器。电路简单，但是当输入电压在阈值电压附近的任何微小变化都会引起输出电压的跃变，抗干扰能力差，因此不选用此方案。 方案二：采用滞回比较

5、器。它具有滞回特性，有惯性，电路有很高的抗干扰能力，且较稳定，因此选用方案二。 1.1.2 移相电路 方案一：采用MSP430单片机进行移相。利用捕获矩形波信号的上升沿，检测矩形波的周期，并把矩形波转变为方波，通过定时器延时输出高低电平的起始时间，按键选择延时大小，根据延时便可计算出相移的大小，此方案准确度高，但易受环境噪声的影响 ,且软件工作量大，因此不选用此方案。 方案二：采用低通滤波电路作为移相电路，利用RC电路，可以连续调节相位接近180度，设计两阶RC电路可使相位调整到360度，电路比较简单，性能较稳定，且减小了软件的工作量，因此选用方案二。1.1.3 带通滤波器电路 方案一：采用椭

6、圆带通滤波器，理论上椭圆滤波器可以实现窄带滤波，但通带和阻带内有起伏，对器件参数的灵敏度较高，参数调节较困难。因此不选用此方案。 方案二：利用多阶低通滤波器和高通滤波器串联，得到带通滤波器，通带比较平坦，且电路设计较简单。但该方案需要使用运放较多，器件较多，整体参数不易控制。故不选用此方案。 方案三：采用双放大器带通（DABP）滤波器，结构对于要求高Q和高频的设计十分有用。其元件灵敏度低，原件扩散度低。这种电路的一个有用特性是，其Q和谐振频率可在一定程度上独立调节。而且电路结构典型模块化，便于使用。因此选用方案三。1.2 方案描述 系统总体框图如图1所示。系统由纯电阻分压网络、加法器、交流四级

7、放大器、触发整形电路、移相电路、相敏检波器、低通滤波器和直流放大电路组成。利用同相加法器在原始信号中加入噪声，经过四级放大电路获得信号x1(t)，x1(t)经过带通滤波器获得信号x(t)，参考信号R(t)经过移相电路和触发整形电路获得方波，方波信号驱动开关乘法器获得x(t)的直流电压，然后经过低通滤波器和直流放大电路，使单片机能够采样并在液晶屏上显示原始信号的幅值。由于移相电路采用的是RC电路，只对单一频率移相，方波信号谐波较多，若触发整形电路在前，移相电路在后，则方波的移相会出现失真，故采用移相电路在前，触发整形电路在后。图1 系统框图2 理论分析与计算2.1 四级放大电路利用运放的基本的运

8、放电路如附图1；放大倍数为（1+Rf /R）,通过合理的设置Rf和R获得相应的放大倍数，在此电路中，继电器实现选档功能，当输入电压较低的时，第四级放大不接入，否则接入第四级放大。2.2 相敏检波器电路相敏检波电路采用开关乘法器实现。当两个信号同频同相时，相敏检波器相当于全波整流电路，此时检波输出最大。图2为相敏检波器的基本框图。图2 相敏检波器基本框图 工作原理如下：设输入信号为。参考输入r(t)幅度为的方波，周期为T,角频率为2/T,根据傅里叶分析的方法，可得r(t)的傅里叶级数表达式为 (1) 相敏检波器的输出为 (2)上式右边第一项为差频项，第二项为和频项。经过LPF的滤波作用，n1的差

9、频项及所有的和频项均被滤除，只剩n=1的差频项为 up(t)=2VsVrcos/ (3) 当方波幅度Vr=1时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当r(t)为+1时，电子开关的输出连接到x(t);当r(t)为-1时，电子开关的输出连接到-x(t),这时LPF的输出为 uo(t)=2Vscos/ (4)当经过开关乘法器时，角度之差为0，输出信号最大。2.3 带通滤波器电路此电路为谐振时增益为2的双放大器带通（DABP）滤波器电路，结构对于要求高Q和高频的设计十分有用。电路图如图3所示，谐振频率可以按R2调节。在此基础上，则可针对Q调节R1。在一定程度上谐振频率和Q可独立调节，实现高精度滤

10、波。 图3 双放大器带通滤波器选取C，R4=R5，R=，R1=QR，R2=R3=R，H(S)为放大系数，此滤波器的传递函数为 带通滤波器的中心频率F0=1000HZ，通频带fbw=1100-900=200HZ，品质因数Q=5。3 电路与程序设计3.1 电路设计 系统总电路图如附图4。3.1.1 交流放大电路设计 放大电路采用高精度、低噪声运放OPA4227，将微弱信号放大1000倍，其中三级电路均为同相放大电路，第一级放大2倍，第二级放大5倍，第三级放大10倍，第四级放大10倍，外围电路电路简单，输入阻抗高，共模抑制比较高，能有效抑制共模干扰，电路图为附图2。3.1.2 触发整形电路设计 由滞

11、回比较器的特性知，运放的同相输入端相位与反向输入端 ，当输入电压uI增大或者减小到阈值电压时，输出电压会发生跃变。电路图如图4所示。图4 触发整形电路3.1.3 带通滤波器设计 利用双放大器带通滤波，输入信号频率为900Hz1100Hz，所需的品质因数Q较高，带通滤波器的通频带比较窄，通过上边的理论分析可以得到 f0=1kHz fbw=200Hz (7)令C=10uF，R4=R5=1K,则由知R2=R3=R=160， R1=5R=800。电路图如图3所示。3.1.4 移相电路设计 通过简单的RC低通电路，一阶电路的移相范围为0180度，所以利用两阶RC可以得到0360度的移相范围，通过截止频率

12、设置好电阻电容的值。电路图为附图3。3.1.6 相敏检波器设计 信号经过带通滤波器的输出信号经过OPA4227获得同相信号和反向信号，输入到开关乘法器CD4053，用比较器得到的方波信号作为控制信号驱动CD4053，输出得到信号的直流电压，具体电路图为图5。图5 相敏检波器电路3.1.7 低通滤波器设计 经过相敏检波器获得的信号经过由OPA4227构成低通滤波器，选择电容为10uf，电阻为100K，算出截止频率为1Hz。电路图为图6。图6 低通滤波器电路3.2 程序设计程序实现定时器间隔一定时间AD采样，对采样结果用加权平均法处理，当前采样值乘以权值0.8与上一次输出结果乘以权值0.2求和作为

13、当前输出结果，每采样50次在OLED上更新数据显示。当前输出结果和阈值进行比较，控制MCU的IO口控制继电器实现换挡，若是较小信号则经过第四级放大，否则，为第三级放大输出。程序流程图如图7所示。 图7 程序流程图4 测试方案与测试结果4.1 测试仪器及测试方案 4.1.1测试仪器（见表1）4.1.2测试方案（1）从信号源输出正弦波经过分压电路得到10uVrms的信号， 观察信号经过交流放大电路是否放大1000倍，波形是否失真；逐次将信号幅度增大到1000uVrms，继续上述步骤。（2）从信号源接入正弦信号，观察带通滤波器的通频带，看信号有无明显失真。（3）将带通滤波器输出的信号接入相敏检波器，

14、观察输出信号是否为直流电压。（4）观测经过单片机采样处理后的输出的数值与s(t)幅度是否一致。（5）将噪声加入原始信号，继续（1）、（2）、（3）步骤。4.2 测试数据（1）测试被测信号的有效值，条件：f=1KHz ，输入s(t)=10uVrms1000uVrms；无噪声，如表2所示。（2）测试被测信号的有效值，条件：f=1KHz ，输入s(t)=10uVrms1000uVrms。噪声为1050Hz，如表3所示。（3）测试被测信号的有效值，条件：f=1KHz ，输入s(t)=10uVrms1000uVrms。噪声为1500Hz，如表4所示。（4）测试被测信号的有效值，条件：f=1KHz ，输入

15、s(t)=10uVrms1000uVrms。噪声为2000Hz，如表5所示。（5）实测带通滤波器的中心频率为1010Hz，3dB范围是910Hz1110Hz。4.3 测试结果分析 从以上表格分析知，被测信号的有效值检测误差都在5%以内，通频带满足要求，本系统能很好的从噪声中检测出微弱信号，很好的完成系统功能。5 结束语 本电路较好的完成了微弱信号的提取。通过本次设计，我们了解了锁定放大器的工作原理，在电路设计的过程中，我们遇到了很多问题，通过小组成员间的交流最终得以解决。这让我们深刻地体会到共同协作和团队精神的重要性，并且也从中提高了自己发现问题、解决问题的能力。附录附图1 基本运放放大电路附

16、图2 交流放大电路附图3 移相电路附图4 系统总电路图表1测试仪器仪器型号混合信号数字示波器Agilent DSO-X 2002A程控直流电源MW MYWAYE MODEL:MPD3303台式万用表UNI-T UT802任意波形发生器LVANG YB32020全自动数字交流毫伏表YT1931表2 被测信号的有效值及误差输入（uVrms）1020401002004006008001000检测（uVrms）10.2820.3240.2199.34202.4403.3598.3793.4992.3误差2.80%1.60%0.53%0.66%1.20%0.83%0.28%0.83%0.77%表3 被测

17、信号的有效值及误差输入（uVrms）1020401002004006008001000S:N=1:1检测10.3120.6140.3998.44204.4399.4594.4793.4988.4误差3.10%3.05%0.98%1.56%2.20%0.15%0.93%0.83%1.16%S:N=1:10检测10.4720.539.4995.76200.4411.2600.3785.5959.1误差4.70%2.50%1.28%4.24%0.20%2.80%0.05%1.81%4.09%表4 被测信号的有效值及误差输入（uVrms）1020401002004006008001000S:N=1:1检测10.3420.8640.7599.70204.4403.3600.3797.3990.4误差3.40%4.30%1.88%0.30%2.20%0.83%0.05%0.34%0.96%S:N=1:10检测10.4220.5040.2198.44200.4395.4590.5785.5976.6误差4.20%2.50%0.53%1.56%