锁定放大器C题完整版本

1、C题：锁定放大器的设计摘要：此设计用于检测微弱信号。分析了微弱信号检测的原理，并给出了实现方案。系统分为两路通道，一路为信号通道对混入的噪声和干扰频率进行交流放大和带通滤波；另一路为参考信号通道，采用同频率待测信号进行相位调整。使其参考信号与微弱信号产生相位差，再将两路信号送入相敏检波器，低通滤波后提取需要的信号。本次设计以STM32做成的单片机实现按键步进移相，从而产生参考信号与待测信号之间的相位差，以AD630进行相敏检波去实现微弱信号的处理，再以巴特沃兹低通滤波达到信号从噪声背景中提取出来的功能。关键词：微弱信号，锁定放大器，相敏检波，STM32，滤波引言：微弱信号是指深埋在背景噪声中的

2、极其微弱的有用信号。随着科学技术的不断发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测(如、弱光、微温差、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视。而对于众多的微弱量一般都通过各种传感器、放大器作非电量转换的，使检测对象变换成可测的电量。但微弱检测本身的涨落，以及传感器的优劣与检测系统的噪声影响，从而影响总的检测效果。目前，相干检测技术是使信噪比改善最大，恢复信号原形最佳的技术，同时也是众多检测技术中成熟的技术。目录一、方案论证与比较11.1 交流放大器的方法与比较11.2 带通滤波器的设计11.3触发整形电路的选择11.4 移相方法比较与选择11.5 相敏检波器的比较与选择21.6 低通滤波器类型选

3、择2二、理论分析与参数的计算22.1 信号通道分析22.2 参考通道分析32.3 相敏检波电路分析3三、电路设计与分析43.1交流放大电路43.2 带通设计电路53.3 触发整形设计电路53.4 移相电路设计原理53.5 相敏检波电路63.6 低通滤波电路6四、测试方法和数据74.1 元器件与测试仪器74.2 测试数据74.3 测试波形8五、结果分析与总结9一、 方案论证与比较1.1 交流放大器的方法与比较方案一：使用可编程运放PGA202,PGA203通过增益的不同组合实现对输入信号范围10uV1mV的选择性放大，但是编程比较复杂。法案二：使用LM324进行运放，因为LM324属于通用型，成

4、本相对低，但是它检测微弱信号的能力相对较弱，温度漂移也比较高。方案三：使用AD620进行电路放大，它的外围电路更简单，输入阻抗高，输出阻抗低，增益高且抗干扰能力强，是一款专门为小信号设计的芯片。比较三者方案为了得到微弱信号放大所以使用方案三，AD620只需一个电阻就能实现控制放大，可以更好的提高增益，减少噪音。1.2 带通滤波器的设计方案一：使用切比雪夫进行带通滤波，其幅频特性在通带或者阻带有等波纹特性。方案二：使用椭圆滤波，其通带和阻带内均呈现等波纹幅频特性，且相位特性的非线性也严重。方案三：使用巴特沃兹进行带通滤波，优点在于它是单调上升函数，通带、阻带均无波动，而且结构简单。比较三种方案，

5、最终选择方案三以巴特沃兹进行带通滤波，主要考虑其单调下降特性。 1.3触发整形电路的选择方案一：采用LM393进行过能比较实现触发整形，它失调电压低，专为获得电压范围、单电源供电而设计， 且具有单电源供电。方案二：采用6N137实现光耦隔离实现触发整形，是一款用于单通道的高速光耦合器，具有电流、电压补偿功能。比较两者方案，发现LM393设计的过能比较器对前一级影响较大，所以采用方案二。1.4 移相方法比较与选择方案一：采用RC延迟，此种方案容易失真，且不好数控。方案二：采用两片STM32芯片，组成单片机移向，由于频率高，正确率大，且能够实现按键控制。对比两种方式，方案二可以实现键控的特点且相对

6、方便，而且与串口屏连接可实现提前设定移相角度，所以选择方案二。1.5 相敏检波器的比较与选择方案一：采用由变压器和二极管桥组成的相敏检波，这种电路结构简单，但由于需要两个变压器，使得体积大、成本高，稳定性差，不适应现代技术的要求。方案二：采用AD630芯片的乘法形式的相敏检波。由于它是近似的正弦波（参考信号）去乘检波信号所以不但排除偶次谐波而且也排除奇次谐波的影响。两者比较起来，由于AD630为主的乘法器具有无需调试检测方便，且被广泛的应用在电测技术中，所以本设计采用方案二AD630组成的开关乘法器。1.6 低通滤波器类型选择 方案一：贝塞尔低通滤波器，具有最大平坦的群延迟线性过滤器，因而保持

7、了过滤信号的波形。方案二：切比雪夫低通滤波器，其过度带衰减快，切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间误差最小。方案三：巴特沃斯低通滤波器，它的通频带频率响应没有起伏，比较平坦，振幅也随角频率的增加而减少。比较三者方案，发现贝塞尔低通滤波器的选择性比同阶滤波器要差，而且切比雪夫低通滤波频率响应幅度不够平坦，所以选择方案三。二、 理论分析与参数的计算根据赛题要求的任务，信号通道，参考信号，相敏检波和低通滤波组成了锁定放大器以下分别对其进行原理分析与参数计算。如图2-1为设计流程图图2-1 设计流程图2.1 信号通道分析信号通道是锁定放大器前一部分，包括交流放大器和带通滤波器组成。作用是把微弱

8、的信号放大到足以推动相敏检波器工作的电平，并且具有抑制和滤掉部分干扰信号的功能，还可以扩大仪器的动态范围。由于被测信号范围在10uV1mV之间，所以使用交流放大器使其增大电压的倍数，通过带通滤波器截取题目需求的900Hz1100Hz送给相敏检波器进行乘法运算。以下是带通滤波器的运算方式:特征频率：f0=12*R*C 最大增益：A=1+RfR1品质因数：Q=13-A 通频带：Bw=f0Q2.2 参考通道分析相敏检波除了一个被测信号外，还需要另一个参考信号送给乘法器进行乘法运算，因此参考通道是锁定放大器区别一般仪器不可缺少的一个重要组成部分。作用是产生与被测信号同频率的参考信号输送给相敏检波器。参

9、考通道主要由触发整形，移相器，方波驱动组成。本次设计通过两块单片实现步进移向，先用串口屏设定移向角度发送给STM32F103ZET6芯片进行数据处理，再将处理过的信号通过串口2提供给STM32F103RBT6 芯片进行步进移向。其原理为频率是1KHz，把周期1ms分成360°计算方式如下：K=1360=2.78us然后每延迟2.78us就相当于移动了1°并且将移相后的方波输入给相敏检波器进行乘法运算，根据参考通道的输出r(t)为方波信号，r（t）的相位相对参考信号R(t)可连续移相180°，步进间距可调至到1°，可做到提前设定移相值。2.3 相敏检波电路

10、分析相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。它的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。如图2-2相敏检波原理图2-2 相敏检波原理输入信号 xt=Vsin*cos(t+)参考信号 rt=4Vrn=1(-1)n+12n-1cos2n-1t输入信号与参考信号进过乘法器后： Vout=xt*r(t)= Vsin*cost+*4Vrn=1(-1)n+12n-1cos2n-1t 式子中的差频项与和频项，经过低通滤波作用，n>1的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩下n=1的差频项为： Vout=2*VsVf*cos 在锁定放大器信号的S（t）输入增加一个加法器混入干扰频

11、率n(t)其频率为1050Hz2100Hz如图2-3叠加噪声电路图图2-3叠加噪声电路图设y(t)=x(t)+n(t)为混入噪声的输入信号，其中s(t)为待测信号，n（t）为噪声，R(t)为s(t)的同频率的参考信号，与噪声n(t)无相关性，两路信号通过乘法器，积分后平均运算后，可得到输出Wys(): Wys()=limT12T-TTytRt-dt=Wys()+Wns()已知参考信号R(t)与噪声n(t)没有相关性，所以Wns()=0,简化后得：Wys=Wys()。三、 电路设计与分析3.1交流放大电路此电路采用AD620做为放大电路进行交流放大，AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需

12、要一个外部电阻来设置增益，增益范围在110000，此外AD620还具有低噪声、地输入偏置电流和低功耗的特性。如图3-1交流放大电路所示。图3-1交流放大电路3.2 带通设计电路带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，本次设计以巴特沃兹进行设计，此电路具有单调下降通带无波动，结构简单等特点。设计通过带通滤波将1KHz的信号进行截取带宽为200Hz，频率为900Hz1100Hz。如图3-2带通滤波电路所示如图3-2带通滤波电路3.3 触发整形设计电路此设计使用6N137芯片进行光耦隔离从而实现触发整形的目的，如图3-3光耦隔离电路：图3-3光耦隔

13、离电路3.4 移相电路设计原理移相电路是能够对波的相位进行调整的电路，本此设计采用两片STM32芯片用单片机对其实现控制。通过对串口屏设置移相角度，然后通过单片机进行处理使得触发整形后的信号实现相位可调。如下图3-3移相电路。图3-3 移相电路3.5 相敏检波电路相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。它的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。此设计采用AD630进行控制，AD630是一款高精度平衡调节器，具有灵活的换流结构。具有很大的动态范围。如图3-4相敏检波电路和图3-5 AD630主要电路。 图3-4 相敏检波电路 图3-5 AD630主要电路3.6 低通

14、滤波电路通过低通滤波电路可以有效的滤掉相敏检波后的交流成分，使得直流成分被保留下来，他的大小与输入信号和参考信号之间的相位差j有关。本次设计以巴特沃兹进行低通滤波，如下图3-6低通滤波电路。如图3-6低通滤波电路四、 测试方法和数据4.1 元器件与测试仪器元器件 仪器设备AD620AD6306N137OP07STM32F103RBT6STM32F103ZET6显示屏 数字万用表 数字示波器 信号发生器 4.2 测试数据参考通道输入方波信号r(t)与参考信号R(t)的相移角度和步进大小，如下表1-1所示理论移相角度实际移相角度是否满足题意0°180°0°180

15、76;满足理论步进大小实际步进大小是否满足题意小与10°1°满足表1-1测量信号通道中带通滤波器，得到带宽和分贝值，如下表1-2所示理论信号分贝理论信号分贝误差大小是否满足3dB3dB0满足理论频带范围实际频带范围误差大小是否满足900Hz1100Hz9201100Hz10%满足200Hz180Hz表1-2外接频率为1KHz的正弦波，测出实际输出电压Vs(t)，计算误差大小，并比较理论值。如下表1-3所示理论输入电压VS(t)实际输出电压Vs(t)误差大小是否满足100 uV1055%满足200 uV2063%满足500 uV5204%满足1000 uV10303%满足表1

16、-3当外加噪声信号n(t)，频率为1050Hz2100Hz,幅度大小等于输入电压VS(t)时，如下表1-4所示理论输入电压VS(t)实际输出电压Vs(t)误差大小是否满足100uV1033%满足200uV2063%满足500uV5204%满足1000uV10404%满足表1-4增大噪声信号n(t)，其他条件不变，使其幅度大小为10s(t),如下表1-5所示理论输入电压VS(t)实际输出电压Vs(t)误差大小是否满足100uV102 uV2%满足200uV205 uV2.5%满足500uV510 uV2%满足1000uV1020 uV2%满足表1-54.3 测试波形为了更加只观，如图4-1相位差

17、波形表示出了不同相移情况下相位检波测试的各点的波形。当=0°时，cos=1,这时的相敏检波器相当于全波整流。经低通滤波得到的平均值Vout最大，如图4-1（a）所示；当=90°时，cos=0，因此正负各一半，经低通滤波以后得到的平均值Vout为零如图4-1（b）所示；当=180°时，cos=-1，经低通滤波得到的平均值Vout为负向最大，其输出波形如图4-1（c）所示；（a） （b） (c)图4-1相位差波形显示五、 结果分析与总结经过这次的锁定放大器的设计，我加深了对锁定放大器的理解，实际上它就像是一个选通滤波器，只有和参考信号相同频率的信号才可以通过锁定放大器

18、，并得出结果。在本设计中，我在方案论证中从成本，实现难以程度等角度出发，认真分析选择最适合这次设计的各种模块。由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，成功的将微小信号放大，由此可见我们可以运用锁定放大器去检测微弱信号，它能精确地测量被掩埋在噪声中的微小信号，并且随着科学技术的发展，在电子学、信息科学、光学、电磁学、低温物理等许多领域,越来越需要测量深埋在噪音中的微弱信号。本次设计就介绍了一种低成本，灵活性高的锁定器放大器。参考文献：【1】曾庆勇微弱信号检测浙江大学出版社，2003【2】戴逸松微弱信号检测方法及仪器，北京国防工业出版社，1994【3】高晋占微弱信号检测清华大学出版社2004【6】张利华。相关检测及其在锁相放大器中的应用物理，1988.【7】SergioFranco.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计，刘树棠译西安：西安交通大学出版社，2004【8】马忠梅 刘滨 单片机C语