基于鎖定放大器的微弱信號檢測系統設計

蔣碧波　楊振國　楊越

摘要：文章設計了一種基于鎖定放大器的微弱信號檢測系統，該系統以相敏檢波器和單片機為核心，結合加法器、純電阻分壓網絡、微弱信號檢測電路和顯示電路組成。測試表明，該系統可以有效地用于噪聲淹沒的微弱信號檢測。

關鍵詞：微弱信號；強噪聲；相敏檢波

0.概述

微弱信號檢測技術綜合利用電子、信息學、計算機技術和物理學方法，研究導致噪聲的原因和規律，以及被測信號的相關性，將被噪聲淹沒的微弱有用信號檢測出來。相較于生物芯片掃描法中掃描時間與檢測靈敏度難以兼顧的缺點和微弱振動信號的諧波小波頻域提取法的局限性來說，以鎖定放大器為核心的微弱信號檢測系統更有潛力。

用調制器將直流或漸變信號進行交流放大，可以避免噪聲的不利影響；利用相敏檢測器檢測頻率和相位，利用窄帶低通濾波器來抑制高頻噪聲，大大提高了穩定性，這些優點使得該項技術具有更加廣闊的應用前景。

1.鎖定放大器的原理

鎖定放大器由信號通道、參考通道、相敏檢波器以及輸出電路組成。其基本思想是將與被測信號相同頻率和相位關系的參考信號作為基準信號，使得只有與被測信號本身以及與參考信號同頻和同相的噪聲分量有響應，其他頻率的噪聲被抑制，從而能提取出有用信號。若增加輔助前置放大器，鎖相放大器增益可達220dB，能檢測極微弱交流輸入信號。鎖定放大器輸出為直流電壓信號，且正比于輸入信號幅度及被測信號與參考信號相位差。與一般的帶通放大器不同，鎖相放大器具有極強的抗噪聲能力。

系統的核心相敏檢波器（PSD）的本質功能是對兩個信號之間的相位進行檢波，只有當同頻同相信號輸入時，為全波整流且輸出最大。

2.系統總體設計

本系統總體框圖如圖1所示，系統由接收信號預處理通道、參考信號預處理通道、相關器及輸出電路組成，其中核心部件相關器，它包括開關乘法器和RC低通濾波器；其中加法器由同相放大電路構成，實現噪聲與待測信號相加，使得信號淹沒在噪聲環境中，然后經過衰減器衰減約100倍，模擬接收方收到的信號，并送入以相敏檢波器為核心的微弱信號檢測電路。參考信號經過移相電路和比較器，輸出方波驅動開關管乘法器。低通濾波器輸出信號，經過直流信號放大后再通過單片機A/D轉換，最后在顯示系統顯示。

3.參數選擇及硬件實現

3.1前置放大電路

為了使微弱檢測電路的輸入阻抗大于或等于1MHz，放大倍數為96倍。INAl28外圍電路簡單，輸入阻抗高，并且有效抑制共模干擾，因此采用兩片INAl28運放級聯實現。根據INAl28運放放大倍數公式，第一級為同相放大電路，選擇R_G=10KΩ，放大倍數為6倍；第二級選擇R_G=3.3KΩ，放大倍數為16倍。仿真結果圖如圖2所示。

3.2帶通濾波器

利用低通、高通濾波器的串聯，得到頻率范圍為900hz-1100hz的帶通濾波器。電路原理圖及參數如圖3所示。

3.3相敏檢波器

如圖4所示，帶通濾波器的輸出同時經過同相和反相跟隨器后，輸入到開關乘法器CD4053；然后另一路將參考電源先經過移相網絡，接著濾掉直流，然后經過用LM311構成的單限過零比較器，得到方波去驅動CD4053。

3.4低通濾波器

CD4053的輸出最后經過由0PA4277構成的可調低通濾波器，該濾波器的R=IMHz，C=luF，算出截止頻率為1Hz，能夠達到濾波的效果，具體電路為圖5。

3.5直流放大電路

由運放構成直流放大電路，且放大倍數B=l+R2/R1，設定放大10倍，選擇RI=2KΩ，R2=18KΩ即可。

3.6觸發整形部分

利用LM324運放設計過零比較器。設定同相端參考電壓為OV，將輸入的信號與參考電壓進行比較，當輸入信號電壓大于參考電壓時，輸出低電平；反之，輸出高電平。

3.7移相器

移相原理圖如圖7所示，其傳遞函數推導如下：實際中選取RI=R2=R3=2KO。

4.程序設計

本設計使用TI指定單片機模塊Launchpad完成，該單片機主要是將最后的可調低通濾波器的輸出進行A/D采樣。為了提高測量精度，除了采用多次A/D取平均以外，還使用加權平均和曲線擬合；對于每次測量值乘以加權系數0.8加上前次采樣值乘以權值0.2作為本次測量的結果，利用多次測量的結果按方程進行曲線擬合得到標定系數a和b。最終根據得到的標定系數結合加權平均的結果計算出最終的測量值，送到液晶顯示，流程圖為圖8所示。

6.結束語

微弱信號檢測的原理和技術成熟，但設備比較復雜和昂貴。基于鎖定放大器的檢測系統成本低，具有廣闊的應用前景。本系統將淹沒在強噪聲中的微弱正弦信號作為鎖定放大器的輸入信號，鎖定放大器的輸出恢復出正弦信號作為信號調理電路的輸入信號源，對采集的數據做FFY分析，結果SNR、SFRD都符合理論計算的要求。實驗結果表明，該系統能有效檢測預定帶寬內微弱信號，具有一定的應用價值。