一種帶移相功能的鎖相放大電路設計及仿真

李丹，張學聰，蔡靜

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

鎖相放大技術是從噪聲中提取微弱信號的重要技術之一，已經在近紅外光譜信號提取、TDLAS傳感器測試氣體濃度或溫度、微弱生理信號檢測、蓄電池內阻檢測、信號繼電器觸點接觸電阻檢測、光纖氣體傳感檢測系統等多個領域有所應用［1-10］。其基本原理是利用輸入信號和噪聲信號之間的互不相關性進行相敏檢波處理，可以實現從信噪比較低的被測信號中提取完整的有用信號，大幅抑制背景干擾噪聲、提高檢測靈敏度以及信噪比，具有較高的穩定性和靈活性［11］。商用的鎖相放大技術已發展成熟，但由于體積較大且功能繁雜，不能嵌入到電路的功能擴展設計中。目前，鎖相放大電路模塊又大多不具有移相功能。因此需要設計一種簡單易實現的帶移相功能的鎖相放大電路來滿足實際應用。

1 鎖相放大電路總體設計

鎖相放大電路基于互相關原理進行相敏檢波處理，噪聲信號與參考信號相乘后得到的倍頻及二倍頻信號可通過設計低通濾波電路濾除，因此可以從噪聲背景中提取有用信號。具體鎖相原理計算如下：

將輸入信號與參考信號相乘，得到兩者和頻、差頻及輸入信號與噪聲信號的乘積分量［2］，假設輸入信號為正弦波信號Msin（ωt+α），噪聲信號為n（t），參考信號為正弦波信號Nsin（ωt+β），則相敏檢波輸出V=（Msin（ωt+α）+n（t）*Nsin（ωt+β））。

由積化和差公式得到相敏檢波器的輸出為

在相敏檢波電路中，輸入信號與參考信號進行乘法運算，相位差決定了輸出幅值的大小及正負。如圖1所示，兩信號同相（相位差為0°）時，相敏檢波結果為正向正弦半波，經過低通濾波后輸出信號正向最大；兩信號相位差90°時，低通濾波后輸出信號為0，信號反相（相位差為180°）時，低通濾波后輸出信號反向最大。因此為保證參考信號與輸入信號鎖相輸出直流信號最大，應設計移相電路。

圖1 相敏檢波電路信號相位差不同的轉換波形

鎖相放大器電路設計如圖2所示，相敏檢波芯片應用高性能芯片AD630，電路主要包括輸入信號通道、參考信號通道、移相、相敏檢波和低通濾波幾個部分。

圖2 鎖相放大電路組成及信號流向圖

2 電路實現及仿真

相敏檢波電路作為鎖相技術中的乘法器，其性能決定了微弱信號的檢測水平，選用高性能芯片AD630搭建，其內部由運算放大器A、運算放大器B和比較器組成，由參考信號的幅值決定運算放大器A或B工作，通道A和B隔離度超過100 dB。輸入信號和參考信號進入相敏檢波電路處理后，通過基于OP07芯片設計的有源RC低通濾波后可得到直流有用信號，如圖3所示。

圖3 AD630相敏檢波及低通濾波電路示意圖

由于目標輸入信號成分繁雜、頻率多樣，在輸入信號進入鎖相芯片前設計帶寬較窄的帶通濾波電路，可去除高頻或低頻噪聲輸入，避免不同頻率噪聲干擾鎖相濾波功能，因此在輸入信號后端加入帶通濾波。

帶通濾波設計如下：選擇一個避開工頻50 Hz的頻率，應用前置放大芯片OP07設計中心頻率為80 Hz，帶寬20 Hz的二階有源帶通濾波器。品質因數為角頻率w0=2πf0，Au0為中心頻率處的增益，Au0=-1，C1=C2=0.01uF，得到：

結合電阻阻值的實際情況，分別選用1.5 MΩ，0.75 MΩ和25 KΩ阻值的電阻。根據鎖相放大電路的原理可知，當參考信號與輸入信號同相或反相時，低通濾波器輸出的電壓幅值最大，而當相位差為90°或270°時，輸出的電壓幅值為0，因此需要設計移相電路，調整參考信號的相位，使其與輸入信號同相或反相，保證電壓輸出幅值最大。

移相電路包括帶通濾波、0°～360°移相、比較器三個部分，考慮到如果參考信號為方波，直接進行移相，輸出的波形有失真的現象，因此先經過帶通濾波將方波變為正弦波，之后經過0°～360°移相進入比較器輸出方波作為參考信號。

利用電容端電壓落后于電流90°的原理，OP07與RC電路構成0°～180°移相電路。采用兩個180°移相電路級聯的方式實現0°～360°移相。其中帶通濾波與圖4設計一致，移相及比較器部分如圖5所示。

圖4 帶通濾波電路圖

圖5 移相電路圖

應用仿真軟件對鎖相電路設計進行仿真，并通過信號源提供輸入信號及參考信號，用示波器測試鎖相濾波后信號。通過調節0°～360°移相電路中的滑動變阻器，可以調整參考信號的相位，將參考信號的相位調整到與輸入信號相位相同，保證輸出信號幅值最大，如圖6所示。

圖6 參考信號與輸入信號相位一致圖

為便于測試該鎖相放大電路從噪聲中提取有用信號的能力，采用加法器的方式給輸入信號疊加白噪聲，噪聲幅值設置為10 mV，如圖7所示。參考信號為方波0.5Vp-p（±1 V）。通過設置不同的輸入信號值0.01，0.02，0.1，0.2，0.4，1 mV，得到疊加噪聲前后的鎖相放大后低通濾波值，輸入信號與鎖相放大輸入值呈線性關系，如圖8所示。

圖7 噪聲信號（熱噪聲1000倍）

圖8 輸入電壓值與鎖相放大低通濾波輸出曲線

從圖8結果可以看出，輸入信號為0.01 mV時，疊加10 mV白噪聲的鎖相輸出可精確的逼近輸入信號值，因此該設計至少可以實現比噪聲小1000倍的信號的檢測。

3 結論

基于AD630相敏檢波芯片設計了一種帶移相功能的鎖相放大電路，通過仿真試驗驗證，該鎖相放大電路至少可以從比信號大1000倍的噪聲中提取有用信號，并且移相功能簡單有效且操作方便。建議實際制作電路板時應充分考慮PCB板繪制時的布線、屏蔽以及板材等多方面因素，提升該鎖相放大電路提取微弱信號的能力。