一种测量微弱信号的锁定放大电路设计

1、第26卷第5期2002年10月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)JournalofWuhanUniversityofTechnology(TransportationScience&Engineering)Vol.26No.5Oct.2002一种测量微弱信号的锁定放大电路设计刘红丽李昌禧(华中科技大学控制科学与工程系武汉430074)摘要:分析了基于相关技术测量微弱信号的锁定放大电路的工作原理和各组成部分.针对非接触式基于多磁场涡流效应的DC微小电流传感器,设计了一种实用的锁定放大电路,并进行了实验性研究.研究结果表明:采用了锁定放大电路DC微小电流传感器可直接测量1mA以下DC微小

2、电流,灵敏度可达20mV󰃗mA.锁定放大电路不仅能测量周期信号,还能测量非周期信号,后者可通过调制的方法将其变成周期信号再进行测量.关键词:微弱信号;锁定放大电路;非接触式中图法分类号:TP274,关原理,来,起着检测器和窄带滤波的双重作用.Tn(t)s2(t-)dt=2T-TRs1s2()+Rns2()=Rs1s2()(1)由于参考信号与噪声不相关,当时,Rns2()=0,因此互相关接收的只有输入信号与参考信号的相关输出,去掉了噪声项,提高了输出信噪比.互相关函数关键是两函数相乘,即s1(t)×s2(t),通常可用锁定放大电路中的相敏检波器来完成.相敏检波器相当于模

3、拟乘法器,其输出是输入信号和参考信号的乘积.在锁定放大器中,参考信号只能是和待测信号同步的方波.设实验研究用的非接触式DC微小传感器的输出信号为带噪声的调幅正弦波Vi(t)=Eicosmtcos0t+n(t)Eicos(0+m)t+2(2)Eicos(0-m)t+n(t)2式中:m为调制频率;0为载波频率;Ei为幅值;1锁定放大电路的工作原理1锁定放大电路检测微弱信号采用了互相关原理,利用参考信号与输入的有用信号具有相关性,而参考信号与噪声互不相关,通过相敏检波及低通滤波完成互相关运算,从而达到抑制噪声的目的.互相关原理图如图1所示.=图1互相关原理图设输入信号f1(t)=s1(t)+n(t)

4、式中:s1(t)为有用的输入信号,n(t)为噪声.参考信号f2(t)=s2(t)则二者的互相关函数为.n(t)为噪声f(t)f(t-)dt=lims(t)s(t-)dt+2TR12()=limTT2TT-T12参考信号的傅氏级数表示式为VR=ERcos(2k+1)1t(3)k=02k+1式中:ER为方波的幅值;k=0,1,2,;1为方波基波频率.T-T12收稿日期:20020613刘红丽:女,34岁,讲师,博士生,主要研究领域为传感器和检测技术620相敏检波器的输出为武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2002年第26卷时,分出k=0次项,则式(4)为cos(20+m)t+cos(20-m)t

5、+2cosmtV01=ViVR=k=0cos0+m+(2k+1)V02=(2k+1)1t+k=0cos0+(2k+1)(5)m-(2k+1)1t+(2k+k=0cos0-1)1)cos0-由于载波频率0远大于被检测信号的频率m,在相敏检波器的输出端接一个低通滤波器LPF,可滤掉高次谐波成分和V02的前两项,其输(6)m+(2k+1)1t+m-(2k+k=0出电压为调制信号,即V03(2k+1)1t+k=0×(2k+1)(4)=c󰃖cosmt式中:c为常数.cos(2k+1)1tn(t)从式(4)可以看出,相敏检波器的输出项的最后项为零,前4项包含了信号频率(0+m,0

6、-m)与全部方波基频1的奇次谐波的和频与差频的大量谐波分量.在同步的情况下,相敏检波器的谐波响应与谐波数(2n+1)成反比.当输入信号的载波频率与参考信号频率的基波相等,即0=12锁定放大电路的组成.锁3信号通道、参考通道其框图如图2.图2锁定放大器的简化框图信号通道由AC前置放大电路、带通滤波电路及选频放大电路组成.其作用是将伴有噪声的输入信号放大,并经选频放大对噪声作初步处理.参考通道由方波发生电路和移相电路组成,其作用是提供一个与输入信号同相的方波,调整移相电路使参考信号与有用信号相位一致,从而信噪比改善为最佳.相敏检波的作用是对输入信号和参考信号完成乘法运算,得到二者的和频与差频的谐波

7、信号,经过低通滤波器滤掉高次谐波和高频信号成分,这时的等效噪声带宽很窄,从而可以提取深埋在噪声中的微弱信号.精密交直流转换电路将低通滤波器输出的交流信号转换为直流电压,便于测量和与计算机接口.3应用举例根据锁定放大电路的工作原理及组成,针对非接触式基于多磁场涡流效应的DC微小电流传感器2,设计了相应的测量电路,并进行了实验性研究.该传感器的测量电路方框图如图3所示.正弦波发生电路采用高稳定性的RC振荡电路3,它们产生的调制信号fm和载波信号f0同图3非接触式基于多磁场涡流效应的DC微小电流传感器的测量电路第5期刘红丽等:一种测量微弱信号的锁定放大电路设计621时加在模拟乘法器MC1496的输入

8、端,该乘法器输出的调幅波电流信号i(t)经功率放大器TDA2030放大后直接加在非接触式基于多磁场涡流效应DC微小电流传感器的激励绕组上.选择载波频率f0=3910Hz,调制频率fm=391.Hz.传感器的输出为如式(2)所示带噪声调幅波调制信号的幅值与被测DC微小电流存在正比例的关系,只要检测出被调制信号的幅值,便可得到被测的DC微小电流大小,从而达到测量的目的.前置放大器选择高精度自稳零斩波集成运算放大器ICL7650,其共模抑制比、电压抑制比、上升速度和开环增益均很高,外接元件少,使用较灵活,适宜对微弱信号进行放大.晶振和分频电路采用2M石英晶振与分频器CC4020,产生方波信号,如式(

9、3)所示,方波频率为7812kHz,与载波频率相等.0°180°的移相电路使方波信号可在180°的范围内改变相位,与调幅波同相,使输出信噪比最大.ADAD630.AD630的输出电压如式().低通滤波器的中心频率选择为391Hz,可很好地滤掉相敏检波器输出信号中的高次谐波和高频信号,其输出电压如式(6).精密交2直流转换电路由全波整流电路和滤波电容组成,其作用是将低通滤波器输出的交流信号转换为直流信号,既便于用高精度的数字万用表进行直接测量,也便于对微弱信号的智能化测量.表1是将上述电路应用到非接触式基于多磁场涡流效应的DC微小电流传感器上进行实验性研究所得到的实

10、验结果.实验结果表明:该传感器的灵敏度可达20mV󰃗mA,精度为0.05%.由此可见,这是一种高精度、实用的锁定放大电路.表1DC微小电流传感器采用锁定放大器的实验结果被测直流微小电流󰃗mA123456锁定放大器输出电压󰃗mV20.31242.2462.5380.68100.28120.443结束语,它和,并变成相.,对于非周期性的电压或电流信号,可通过调制方法将其调制成周期信号再进行测量.该电路还适用于其他一些微弱信号传感器,根据传感器输出信号的频率,只须改变正弦波发生电路以及方波发生电路的某些参数即可.参考文献1曾庆勇.微弱信号检测.杭州:浙

11、江大学出版社,1994.471052刘红丽.一种非接触式DC微小电流传感器的研究.武汉交通科技大学学报,1998,22(3):2983003李瑞麟.高稳定性的RC振荡电路.电测与仪表,1992(9):3738DesignofLock2inAmplifierCircuittoMeasureWeakSignalLiuHongliLiChangxi(DepartmentofControlScience&Engineering,HUST,Wuhan430074)AbstractThispaperanalysestheoperatingprincipleandeverycomponentofal

12、ock2inamplifier(LIA)tomeasureweaksignaladoptingrelationtechnology.Beingaimedatanon2contacttypeDCweakcurrentsensoremployingmultifieldeddy2currenteffects,apracticalLIAisdesigned,andtheexperimentalre2searchesarecarriedon.TheexperimentalresultshowsthattheDCweakcurrentsensoradoptingLIAcanmeasureDCweakcurrentlessthan1mAdi