微弱信號(hào)檢測(cè)鎖定放大器的設(shè)計(jì)

遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 李光林 蔡坤良 李 凱 趙 凱 熊 輝

微弱信號(hào)檢測(cè)鎖定放大器的設(shè)計(jì)

遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 李光林 蔡坤良 李 凱 趙 凱 熊 輝

介紹了一種鎖定放大器的設(shè)計(jì)方案，可應(yīng)用于微弱信號(hào)檢測(cè)。該系統(tǒng)主要包括交流放大器、帶通濾波器、相敏檢波器、低通濾波器、直流放大器及液晶顯示等幾個(gè)部分。其中交流放大器以INA128為主要構(gòu)成部件，實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的放大從而作為帶通濾波器的輸入；帶通濾波器用UAF42構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)900Hz到1100Hz頻帶范圍的濾波；相敏檢波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信號(hào)經(jīng)低通濾波器、直流放大器后輸入顯示電路，顯示出被測(cè)信號(hào)的幅度及有效值。本設(shè)計(jì)功耗小、對(duì)無(wú)源元件誤差靈敏度低、高增益放大，對(duì)抑制噪聲，獲得信號(hào)的恢復(fù)具有重要意義。

鎖定放大；相敏檢波；直流放大；MPY634

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，被噪聲掩蓋的各種微弱信號(hào)的檢測(cè)越來(lái)越受到人們的重視，因而逐漸形成微弱信號(hào)檢測(cè)這門新興的分支技術(shù)學(xué)科，探索新的微弱信號(hào)檢測(cè)方法，研制新的微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備是目前檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。將有用信號(hào)從強(qiáng)背景噪聲下檢測(cè)出來(lái)的關(guān)鍵是設(shè)法抑制噪聲，降低噪聲的基本方法是設(shè)計(jì)鎖定放大電路，利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，基于互相關(guān)原理，使輸入待測(cè)的微弱周期信號(hào)與頻率相同的參考信號(hào)在相關(guān)器的非相關(guān)噪聲中的微弱有用信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以相關(guān)器（乘法器和低通濾波器）為核心，通過自相關(guān)運(yùn)算，使輸出信噪比達(dá)到最大，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)檢測(cè)的目的。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

鎖定放大器的總體方案如圖1所示，主要由信號(hào)通道、參考通道、相關(guān)器組成，其中相關(guān)器是核心部分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

信號(hào)通道是相關(guān)器前的一部分，由低噪聲前置放大器，有源濾波器等部分組成。其作用是把微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相關(guān)器工作的電平，并兼有抑制和濾掉部分干擾和噪聲，擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍。除了被測(cè)信號(hào)外，需要有另一個(gè)信號(hào)(參考信號(hào))送到乘法器中，參考通道的作用是產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)同步的參考信號(hào)輸給相關(guān)器。通常鎖定放大器參考通道的輸出是和信號(hào)同步的對(duì)稱方波，用以驅(qū)動(dòng)相關(guān)器。參考通道主要是由觸發(fā)整形電路、相移電路、方波形成電路和驅(qū)動(dòng)級(jí)等幾部分組成。和信號(hào)同步的參考觸發(fā)信號(hào)，大部分是由外部輸入的正弦波、方波、三角波、脈沖等各種波形的周期信號(hào)，觸發(fā)電路要求有很大的觸發(fā)電平范圍和很寬的工作頻率范圍。相關(guān)器由相敏檢波器(PSD)與低通濾波器組成，是鎖定放大器的核心部件。相敏檢波器將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)的檢波功能可用乘法器。兩個(gè)頻率相同的信號(hào)通過乘法器相乘運(yùn)算后，信號(hào)頻譜發(fā)生變化, 由原來(lái)只有一個(gè)頻譜W分量, 變換為W=0直流和二倍頻2W兩個(gè)新的頻譜分量，相敏檢波器的輸出通過低通濾波器將二倍頻2W和其他交流分量全部濾除。鎖相放大器的通帶寬度取決于低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)越長(zhǎng)，帶寬越窄，信噪比也就越高。為使輸出滿足要求，常常使用直流放大器對(duì)其輸出進(jìn)行放大。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)通道的設(shè)計(jì)

圖2 交流放大器電路

圖3 帶通濾波器電路

圖4 參考通道部分電路

交流放大器部分采用INA128三級(jí)同相放大電路放大。根據(jù)公式GB=1+50K/R，第一級(jí)放大16倍，第二級(jí)放大為26倍，第三級(jí)放大為26倍，三級(jí)相乘最終的放大倍數(shù)可達(dá)10816倍，由此每一級(jí)的電阻選擇分別為3.3K、2K、2K。INA128的外圍電路簡(jiǎn)單，輸入阻抗高，同時(shí)能有效的抑制共模干擾，其電路圖如圖2所示。

帶通濾波器部分的核心部件為UAF42芯片。UAF42是一款通用有源濾波器，可配置為低通、高通、帶通濾波器。它使用了一種經(jīng)典的狀態(tài)可調(diào)的模擬結(jié)構(gòu)，通過一個(gè)反向放大器和兩個(gè)積分器。積分器包含上1nF電容。對(duì)于帶通濾波器的設(shè)計(jì)，采用Filter42軟件計(jì)算出外圍電阻RF1=RF2=158K，達(dá)到中心頻率為1000Hz，頻帶范圍為950Hz—1050Hz的濾波要求。其電路如圖3所示。

2.2 參考通道的設(shè)計(jì)

采用LM324及外圍電阻搭建而成，整個(gè)通道分為觸發(fā)整形、移相、方波驅(qū)動(dòng)三個(gè)部分。其電路圖如圖4所示。

2.3 相關(guān)器設(shè)計(jì)

相敏檢波器主要部件為MPY634，其電路如圖5所示。

圖5 相敏檢波器電路

低通濾波器同樣采用UAF42構(gòu)成，其外圍電阻分別為44K、470K。

2.4 直流放大器設(shè)計(jì)

直流放大器采用常規(guī)器件LM324構(gòu)成的同相比例放大電路，具有較高的輸入阻抗。

2.5 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路由MSP430單片機(jī)、TLV5618、ADS1115、液晶顯示器等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的有效值顯示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過測(cè)試，微弱信號(hào)放大器中心頻率1000Hz，帶寬950Hz—1050Hz，電路的輸入阻抗Ri≥2MΩ， 檢測(cè)并顯示正弦波信號(hào)的幅度值，誤差不超過5%。

表1 參數(shù)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的鎖定放大器功耗低、電路簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)，可方便顯示出被測(cè)信號(hào)的幅度及有效值。在實(shí)際應(yīng)用中用途廣泛，擁有很好的發(fā)展前景。

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李光林（1976—），女，山西太原人，副教授，從事現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。