鎖相放大器的設計

郭新興 路彤輝 靳釗釗 樊遠 郭文旭

【摘要】本系統以超低功耗MSP430G2553作為處理核心，用OPA244、OPA2237、LM324N、LM3119等實現對微弱信號的檢測。該電路由信號調理模塊、移相器模塊、相敏檢波器和數碼管四個模塊組成。信號調理模塊包括加法器，交流放大器，四階帶通濾波器，信號調理電路子模塊，其具有微弱信號放大和調理、抑制干擾和噪聲的作用。移相器模塊由多個比較器，積分器組成，實現與被測信號的同步，產生可180°移相的方波傳輸給MCU，由數碼管顯示被測信號的幅度。

【關鍵詞】微弱信號;移相器;msp430;相敏檢波器

1.鎖相放大器設計原理

根據相關接收原理，在相關接收中，可以把兩個信號的函數f1（t）和f2（t）的相關函數定義為：

它是度量一個隨機過程在時間t和兩時刻線性相關的統計參數，如果f1（t）和f2（t）完全沒有關系，則相關函數將是一個常數。

下面我們設有兩個信號x（t）、y（t）為：

其中n1（t）、n2（t）為噪聲，Vs（t）為待測信號，Vr（t）為參考信號。則相關函數為：

展開得：

因為信號和噪聲不相關，且噪聲的平均值為零，所以都為零。故：

這樣我們可以看到，兩個信號經過相乘和積分處理后就可以把噪聲抑制，鎖相放大器的核心就是根據這個原理設計的。

2.設計方案的論證

如圖1所示，該方案將數字脈沖電位器用模擬移相器取代，其中移相器是由多個小模塊依次作為輸入產生不同的波形，最終實現將正弦信號調整為相位不同的方波信號。且該處采用模擬器件容易實現，便于分級檢測輸出的波形，及時對硬件電路進行修正和改進。

圖1

3.硬軟件設計

3.1 硬件的總體設計

通過理論分析，該系統主要由由三部分組成，即：信號通道，參考通道和其他相關器。加法器將被測信號S（t）和噪聲信號n（t）以1：1疊加后通過電阻分壓網絡將疊加后的信號進行衰減。信號通道由放大器和帶通濾波器組成，其作用是把微弱信號放大到足以推動相關器的工作電平，并兼有抑制和濾掉部分干擾和噪聲，擴大儀器動態范圍的性能;參考通道由觸發整形和移相器組成，其作用是產生與被測信號同步的對稱方波，再由方波驅動給相關器;相關器由數字相敏檢波器組成，是鎖定放大的核心部件，具有動態范圍大、漂移小、時間常數可調等性能。最后由LCD顯示被測信號的幅度。系統的整體框圖設計如圖2所示。

圖2

3.2 功能模塊

（1）加法器

①實現噪聲與信號的1：1疊加的原理（如圖3所示）

圖3 實現噪聲與信號的1：1疊加的原理框圖

參數的計算：

為了使運放兩個輸入端的電阻對稱平衡，要求R1//R3=R2//R4，輸出電壓的表示式為U0=（1+R3/R1）（K1U1+K2U2），其中K1=R4/（R2+R4），K2=R2/（R2+R4）。

②調理電路

由于帶通濾波器輸出的信號為雙極性的，而AD采樣的值必須是大于零的，通過調理電路將帶通濾波器輸出的信號和直流分量疊加使之成為單極性波。

（2）純電阻分壓網絡

經過加法電路后，輸出的電壓經過電阻分壓后輸出，通過調節R5/R6的比值來控制純電阻網絡的衰減系數。

（3）交流放大器

a.原理：

同相比例放大電路的輸入信號是從集成運放的同相輸入端引入，輸出信號按比例放大，并與輸入信號同相。電壓放大倍數為。

b.交流放大器的實現：

通過該公式：

實現交流放大器的兩級放大，一級放大為40倍（該倍數可調節至100倍左右，且保證不失真），二級放大為25倍（該倍數可調節至100倍左右，且保證不失真），因此該二階放大器的放大倍數為40*25=1000倍。

（4）四階帶通濾波器

FilterPro軟件的使用：運算放大器的一類應用就是做有源濾波器，只需要輸入想要得到的濾波器參數，TI會幫助計算外圍電路中繁多的R，C值。

該四階帶通濾波器就是根據軟件設計的濾波器 ，其幅頻特性曲線如圖4所示：

圖4 四階帶通濾波器的幅頻特性

（5）模擬移相器

模擬移相器的電路模塊如圖5所示。輸入1KHz的正弦信號，經過零比較器（LM324），輸出占空比為50%的方波，經過一級的積分器和遲滯比較器，輸出占空比可調的方波，再經過一級的積分器，遲滯比較器和二極管輸出大于零的方波，最后將該方波作為時鐘信號輸送給MCU內部的A/D。

圖5 模擬移相器電路圖

（6）數碼管顯示

采用數碼管顯示，其亮度高、體積小，編程較容易，資源占用較少。直接顯示幅度值。

3.3 軟件設計

該系統主要部分應用模擬電路實現，只有相敏檢波器應用數字電路實現，因此，該處只對該相敏檢波器進行說明。相敏檢波器原理：給單片機內部輸入一個幅度為1，頻率為1KHz的正弦信號。在方波的下降沿來臨時，開始對該信號進行等間隔采樣，且每周期采6個點，若采118個點，則需采樣20個周期。兩次所采的點對應相乘，由Sn?=（SnSinx）?+（Sncosx）?可求得信號的幅度。

4.四階帶通濾波器測試的數據與分析

頻率/Hz 增益

850 0.58

900 0.73

950 0.92

1000 0.993

1050 0.869

1100 0.67

1200 0.42

1250 0.36

結果分析：由表格中數據分析可知，信號通道的3dB頻帶范圍為900Hz-1100Hz時，誤差小。

5.總結

本系統屬于精細測量儀器，其硬件電路，尤其是模擬部分電路的設計十分關鍵。特別是前端微弱信號相關的電路，需要仔細處理各種細節問題。另外電路設計上運放電源端應該加去耦電容去除電源紋波的影響。在軟件設計的時候，難點不是在于各個模塊功能的實現，而是最終的組合。軟件設計的過程中至關重要的是，注意信號的同步。

參考文獻

[1]高晉占編著.微弱信號檢測[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]揚拴科主編.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]高西全，丁玉美編著.數字信號處理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[4]http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/opa2277.pdf.

作者簡介：

郭新興（1993—），大學本科，現就讀于西安石油大學電子工程學院自動化專業，參加了2014年陜西省電子設計大賽，并參與了陜西省創新創業項目與學校創新訓練項目。

路彤輝（1996—），大學本科，現就讀于西安石油大學電子工程學院自動化專業，參加了2014年陜西省電子設計大賽，并參與了陜西省創新創業項目與學校創新訓練項目。

靳釗釗（1995—），大學本科，現就讀于西安石油大學電子工程學院自動化專業，參加了2014年陜西省電子設計大賽，并參與了陜西省創新創業項目與學校創新訓練項目。

樊遠（1994—），大學本科，現就讀于西安石油大學電子工程學院自動化專業，參加了2014年陜西省電子設計大賽，并參與了陜西省創新創業項目與學校創新訓練項目。

郭文旭（1993—），大學本科，現就讀于西安石油大學電子工程學院自動化專業，參加了2014年陜西省電子設計大賽，并參與了陜西省創新創業項目與學校創新訓練項目。