用于微弱信號檢測的簡易鎖相放大器設計

(浙江工業大學 浙江 杭州 310000)

一、方案選擇與設計

(一)簡易鎖相放大器的基礎設計思路

鎖相放大器是利用了互相關的知識設計的一種同步相干檢測儀[1-2]。它的主干部分是由三大模塊組成，信號輸入模塊，參考信號模塊，相敏檢波模塊，當然為了更加方便觀察本設計中又加入了單片機的顯示模塊以及低通濾波模塊，以此來濾掉交流電噪聲信號，最后剩下所需要的直流電信號。

(二)參考信號產生的方案比較與選擇

參考信號模塊,在專業領域上也稱作“導頻”信號，它是一種已知的信號，是發射端傳遞給接收端的，往往被用于信道估計或信道探測。它可以直接從系統提供，也可從輸入信號端口提供，并且做和輸入信號相同的處理。

通過比較兩者，從輸入信號直接分流過來信號會使得操作更加的簡單，并且有相同的初始相位便于后續處理，電路也會更簡單和便于操作，方便后期調試測量。所以在本文設計的鎖相放大器中采用的是從輸入信號處分流一個相同的信號來作為參考信號用于后期處理，同源的信號相位相同，信號各項指標也非常相近，方便后面的相敏檢波[3-4]。

(三)前端放大器的設計

方案一：使用可編程運放PGA202,PGA203通過增益的不同組合實現對輸入信號范圍1uV～100mV的選擇性放大，但是編程較為復雜。

方案二：使用常用運放OPA134pa與電阻的組合來實現放大倍數為10～1000的變化，對輸入信號范圍1uV～100mV分別進行不同選擇的放大，電路設計和使用都比較簡單。

兩者相比而言，由于后者電路設計和使用都較為簡單，因此本設計中采用運放OPA134pa對不同信號的選擇性放大。

(四)移相方法的方案與選擇

方案一：數字移相：數字移相是一種功能蠻強大的移相手段，它能在4個象限內從0～89°的移相，因此加到一起就實現了0到360°的移相，它是通過集成芯片來控制頻率和相位移動，但是這種設計卻大大增加了鎖相放大器的復雜程度，并且提高了費用，不經濟實惠。

方案二：阻容移相：模擬移相電路采用了目前應用最多的阻容移相。它的優點在于電路非常的簡單清楚，并且它的穩定性好，唯一不足在于它的相角只能從0調到180°，但是可以通過級聯的方式來使相移達到0到360度。

因此通過比較，由于阻容相移電路會更加的方便、簡單并且穩定，所以在本文的設計中采用了阻容移相的辦法。

(五)乘法器的方案比較與選擇

方案一、集成模擬乘法器：模擬乘法器結構復雜，操作也非常困難，并且十分昂貴，稍有操作不慎容易損壞，對動態和線性的要求極高，因此采用該方案會難以實現本文想要的結果；

方案二、cmos管控制的乘法器：cmos管控制的乘法器具有穩定、便宜且精確率高的的優點，是非常合適且誤差很小的相敏檢波器。

兩者相較而言，由于cmos管控制的乘法器具有便宜，且調試簡單等各種優點，所以在本設計中采用的是cmos管控制的乘法器。

二、鎖相放大器的設計

(一)總體設計思路

輸入被測信號和干擾信號通過精密運放OPA134PA和電阻構成的同向加法器進行疊加，再經過運放和電阻構成的同向比例放大器進行100的放大，然后經過帶通濾波器后將1500HZ的噪聲濾除掉，留下本文所需要的1000HZ的輸入信號。再讓濾波后得到的信號與參考信號一起進入乘法器進行互相關運算Rxx，輸出信號再經過低通濾波器濾波，將交流信號濾除掉后留下所需要的直流信號。接著將直流信號經過放大后送入AD轉換芯片里，本設計中使用的是ADC0832，將模擬信號轉化成數字信號。因為單片機stc89c52只能處理數字信號，所以讓單片機處理完信號后再輸出到LCD1602顯示器里，最后顯示屏里面顯示輸入信號的電壓的有效值。

(二)放大器內部結構設計

1.前置同向加法器的設計：

圖2-1 前置同向加法器的設計圖

如圖2-1 所示：精密運放U7、和電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11構成了同向加法器，它的作用就是將輸入信號和干擾信號進行疊加再送入下級，它的放大比例是10倍。在鎖定放大器信號S(t)輸入端增加一個運放構成的加法器電路，是為了實現S(t)與干擾信號n(t)的1:1 疊加。其中運放U7為OPA134PA,電阻R8=R9=R10=10K,而電阻R11=90K.

2.同向比例放大器的設計：

圖2-2 同向比例放大器的設計圖

在本部分的設計中，如圖2-2所示，精密運放U6與電阻R12、電阻R13、電阻R14構成了同向比例放大器，放大器將信號放大的倍數是100倍，其中運放U6為OPA134PA,電阻R12=R13=10K,而R14=990K.

3.帶通濾波器的設計：

圖2-3 帶通濾波器的設計圖

如圖2-3所示，電阻R24、電阻R25、電阻R27、電阻R28與精密運放U10以及電容C7、C6構成了帶通濾波器，帶通濾波器的作用就是將疊加的信號中1500HZ的干擾信號濾除掉，留下1000HZ的被測信號進入下級，并且在頻帶范圍為900Hz～1100Hz內，通頻帶衰減小于3dB。其中運放U10為OPA134PA,電阻R24=15.915K，電阻R25=2.251k，電阻R28=4.502K,R27=4.502K,C6=C7=100nF。

4.反相比例放大器的設計：

圖2-4 反相比例放大器的設計圖

在反相比例放大器電路中，如圖4-4所示，電阻R2與電阻R3與運放U3:A構成了一個反相比例放大器，放大倍數是R2:R3=1倍，放大倍數為1：1，只作為反相器的功能來用，并無放大縮小的功能，其中運放U3:A是AD823,電阻R2=R3=10K.

5.同相跟隨器的設計：

圖2-5 同相跟隨器的設計圖

在同相跟隨器的電路中，如圖4-5所示，由于需要正反兩種信號以便后面疊加用，實現正反兩種信號即是使兩個信號的相位相差180度，同相跟隨器和反相器作用相似，但一個是為了反相，一個是為了同相，兩者都是乘法器的一部分，為了后面能持續輸出正相電流。其中運放用的是AD823。

6.參考信號的設計：

第一部分：參考信號的信號源取自輸入信號。

圖2-6 參考信號加法器與放大器設計圖

如圖2-6所示，參考信號源來自輸入信號，且都是經過相同的加法器與放大器處理的，功能也大致相同，加法器放大了10倍，放大器放大了100倍，電阻R18=R19=R21=10K,電阻R22=900K,電阻R20=90K，運放U8、U9均為OPA134PA。

第二部分：移相部分。

圖2-7 移相部分設計圖

在移相電路中，如圖2-7所示，RV1與電阻R29、電阻R30、電阻R31、電容C8以及運放U11組成了移相電路，移相電路滿足0到180度的移相，它是通過阻容RV1、C8完成移相的，r(t)的相位相對參考信號R(t)可連續或步進移相180 度，步進距可達到一度甚至更小。其中電阻R29=R30=10K,電阻R31=1K，電容C8=100nf。運放U11用的是OPA134PA.

下面一個部分是反向器，移相之后還需要對一路信號進行反相，運放U5A與電阻R15、R16構成了反相器，使得信號一路反相一路正相進入乘法器模塊，其中電阻R16=R15=10K，運放U5A是AD823。

7.乘法器的設計：

乘法器是整個鎖相放大器的關鍵部分，在乘法器電路中，如圖2-8所示電路，U4A、U4B是電壓比較器，參考點都是接地的，所以是0V，而U4A信號的接入點是U5A的輸入，但是U4B信號的接入點是U5A的輸出，因此可以知道，兩者的接入信號差了180度的相位.因為是比較器，所以輸入的是正弦波，而輸出的是只有高低電平的同相方波，因此U4A、U4B的輸出信號是差了180度相位的方波。其中U4A、U4B都是AD826AP。

電路中電阻R5與R6均為限流電阻，防止電流過大損壞元器件，起到了保護電路的作用。其中R5=R6=22。

為了實現連續的直流正信號輸出，這里采用了pmos管的特性。由于U4A、U4B的輸出信號是相距180度的方波信號，并且U3B(同相器)接的是U3A的輸入，U3A輸入接的是U10的信號，所以兩者的輸出也差了180度的相距，而U3A的信號是輸到Q1中的，U3B的信號是進入Q2中的。因此就會產生Q1打開的時候是個正信號，但同時正好Q2卻是一個負信號，且Q2無法打開。但當Q2是正信號并且能打開的時候，Q1卻是一個不能打開的負信號，因此Q1、Q2就形成了遇正即開，遇負即關的狀態，Q1、Q2就通過這種形式一直把這個正信號傳遞到下面去。電路圖中電阻R7是負載電阻，也就是所謂的假負載，它的作用只是為了增加電路的穩定性，電阻R7=1000k。

圖2-8 乘法器部分設計圖

8.低通濾波器的設計：

在低通濾波器電路中，如圖2-9所示，U5B是同相電壓跟隨器，目的是為了讓信號跟隨過去的同時將前級與后級隔離開，并通過U5B的直流信號使一個周期內的正弦信號波均進入了同一象限，即信號從交流信號轉換成了直流信號。其中U5B用的是AD823。

圖2-9 低通濾波器的設計圖

在低通濾波電路中，R4與C4構成了第一階低通濾波器，而C17與C5構成了第二階的低通濾波器，兩階濾波器將上面參雜了的交流信號(噪聲信號)通過地線導出，最后濾出直流信號。

9.單片機技術顯示實驗結果的設計：

圖2-10 單片機技術顯示實驗結果的設計圖

單片機技術顯示實驗結果的電路中，如圖2-10所示，由于單片機無法識別正弦模擬信號，所以本文先用AD轉換芯片ADC0832，把實驗中得到的正弦模擬信號轉換成數字信號，再通過數字信號通過單片機stc89c52進行顯示。

【參考文獻】

[1]曾慶勇. 微弱信號檢測[M]. 第二版. 杭州: 浙江大學出版社, 1986.

[2]戴逸松. 微弱信號檢測方法及儀器[M]. 北京: 國防工業出版社, 1994．

[3]高晉占. 微弱信號檢測[M]. 北京: 清華大學出版社, 2011.

[4]劉俊，張斌珍. 微弱信號檢測技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2005．

三、實驗結果檢測與分析

(一)輸入信號設置

外接信號源提供頻率為1kHz 的正弦波信號，輸入至參考信號R(t)端。R(t)通過自制電阻分壓網絡降壓接至被測信號S(t)端，S(t)幅度有效值為10μV～1mV。

圖5-1輸入信號設置圖

(二)輸入干擾信號設置

另一信號源產生一個頻率為1050～2100Hz 的正弦波信號，作為n(t)疊加在鎖定放大器的輸入端，信號幅度等于S(t)。n(t)亦可由與獲得S(t)同樣結構的電阻分壓網絡得到。鎖定放大器應盡量降低n(t)對S(t)信號有效值測量的影響，測量誤差小于10%。并且增加n(t)幅度，使之等于10S(t).

圖3-2輸入干擾信號設置圖

(三)仿真結果

如圖3-3所示，通過單片機的運算顯示，輸入電壓峰值0.1mv，實際有效值經過換算為0.08mv，測量顯示值與S(t)有效值的誤差小于10%。

圖3-3仿真結果圖

實驗結果表明該鎖相放大器功能的成功實現，混合信號被濾除雜波，有用信號被放大，輸入信號電壓波形和輸出信號電壓波形一致，且成功進行了放大，干擾信號被濾除。

四、 總結

本文所設計的鎖相放大器結合了數字鎖相放大器、模擬鎖相放大器和AD630的內部結構的相關技術，以將幅度頻率遠小于干擾信號的有用信號放大還原出來為目的，利用pmos管的開閉來持續輸出直流有用信號，最后通過濾波得到有用信號。根據仿真結果來看，此設計在成本和實際應用上具有更高的性價比，適合需求較低的人使用。在對于提高輸出波形的準確性上，可以采用數字鎖相放大器的內部晶振時鐘源來做調制信號和參考信號能降低參考信號的不穩定所帶來的誤差，使最后的輸出波形能夠更加的精確。

【參考文獻】

[1]曾慶勇. 微弱信號檢測[M]. 第二版. 杭州: 浙江大學出版社, 1986.

[2]戴逸松. 微弱信號檢測方法及儀器[M]. 北京: 國防工業出版社, 1994．

[3]高晉占. 微弱信號檢測[M]. 北京: 清華大學出版社, 2011.

[4]劉俊，張斌珍. 微弱信號檢測技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2005．