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1、2014年天津市大学生电子设计大赛【本科组】锁定放大器的设计报告摘 要锁定放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁定放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。本次设计是基于锁定放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。该次设计是由加法器、纯电阻分压网络、参考信号输入电路、微弱信号检测电路和显示电路组成。其中微弱信号检测电路由前置放大、带通
2、滤波、鉴相器、移相器、比较器、低通滤波、放大器构成。同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，使信号淹没在噪声中，然后经过衰减器衰减100倍以上，送到微弱信号检测电路中。微弱信号检测以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相电路和比较器输出方波驱动开关管乘法器，输出直流信号经单片机ADC转换，最终在液晶显示屏上显示出来。关键字：锁定放大器；微弱信号检测；相敏检测 目 录摘 要21 系统方案设计31.1方案选择与论证31.2设计思路与原理框图42 锁定放大器硬件设计42.2加法器的设计52.3 交流放大器的设计72.4带通滤波器的设计82.5 移相器的设计102.6 方波驱动电路的设计132
3、.6 相敏检波器的设计142.7 低通滤波器的设计172.8 直流放大器的设计182.9 显示模块设计193 锁定放大器软件设计224 系统统调结果234.1 测试仪器234.2测试方案23附录1：电路原理图24附录2:元器件清单26附录3：参考文献261 系统方案设计1.1方案选择与论证 常用的微弱信号的检测方法有：直接滤波，积分取样，锁相放大等。 方案1：直接滤波 由于检测的微弱信号混在噪声之中，如果直接使用滤波的方法，因为噪声肯定含有和被测信号相同的频率，所以容易导致被测信号衰弱或者滤掉的结果，当检测的微弱信号混在噪声中时, 噪声含有和被测信号相同的频率，如果直接使用滤波的方法，容易导致
4、被测信号衰弱或者滤掉，从而无法进行正常的检测。所以，直接滤波的检测方法实际效果不甚理想，不宜采用。 方案2：取样积分 取样积分是利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，因为信号提取是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可以很好的提高信噪比，被噪声淹没的信号波形可以很好的显现出来。但是取样积分器测一个波形需要花很长的时间，时间效率低。另外它要求信号必须与触发脉冲同步。综上所述，此法要求较多，实现起来比较复杂，故不采用此法。 方案3：锁相放大 锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它有三个特点：1、用调制器将直流或渐变信号调
5、制，进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；2、利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；3、利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。本次设计采用此法。1.2设计思路与原理框图 微弱信号检测是一门新兴的技术学科。它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的有用的微弱信号。 本设计采用模拟方法实现微弱信号的检测。通过加法器将被测的微弱正弦信号和噪声相叠加，模拟出微弱信号被淹没在噪声的现象，进而进行微弱信号的检测。通过分压电
6、阻网络减小噪声幅值，有利于后续电路的处理。接着通过微弱信号检测电路，通过处理最后输出直流量并进入到单片机进行处理。通过芯片内部的A/D转换模块，同时编写显示程序，最终将被测微弱信号显示到LCD显示屏上。锁定放大器基本组成结构框图如下图1：图1-1 锁定放大器基本组成框图2 锁定放大器硬件设计2.1电阻分压模块 电阻分压网络有串联分压和型网络，型网络性能较好，适合在高频的条件下工作，而本题目要求的电压范围较小，故本设计采用电阻串联来作为分压网络。由于需要进行精确的进行分压，普通电阻阻值误差较大，大约为5%，精密电阻的误差仅仅为0.01%，因此采用精密电阻和电位器接成电阻分压网络，确保精确的分压系
7、数。图2-1 纯电阻分压网络电阻采用无感电阻，是为了防止电阻的产生的高斯白噪声对后级电路产生影响。纯电阻分压网络衰减系数A，A=(Rv14+R21)/R21。测试后电阻Rv2=200K,Rv3=2K，A=1012.2加法器的设计2.2.1 加法器电路设计 本设计加法器由INA2134搭建设计电路图如图3：图2-2 加法器电路2.2.2 加法器的测试结果 经过测试得： A：噪声源输出V的有效值输出为:1.02V B：加法器的波形： 无明显失真 ；带宽：3dB C：参考信号的衰减系数：102 D：参考信号的输入阻抗：2.9M V n(t):VS(t)=1:1叠加，测试结果见表1：输入信号参考信号输
8、出信号幅度/V频率/KHZ幅度/V频率/KHZ幅度/V误差%10uV1.2KHZ10uV1KHZ19.8uV1%100uV1.5KHZ100uV1KHZ200.6uV3%1mV1.8KHZ1mV1KHZ2.04mV2%表1 加法器测试结果 V n(t):VS(t)=1:10叠加测试结果见表2:输入信号参考信号输出信号幅度/V频率/KHZ幅度/V频率/KHZ幅度/V误差%100uV1.2KHZ10uV1KHZ111.5uV13.6%1mV1.5KHZ100uV1KHZ1.08mV18.2%10mV1.8KHZ1mV1KHZ11.06mV5.4%表2 加法器测试结果2.3 交流放大器的设计2.3.
9、1 交流放大器的方案设计 方案一：使用可编程运放PGA202,PGA203通过增益的不同组合实现对输入信号范围1uV100mV的选择性放大，但是编程比较复杂。 方案二：使用常用运放INA218通过开关控制实现放大倍数为10，1000,100000的变化，对输入信号范围1uV100mV分别进行不同选择的放大。电路设计和使用都比较简单。两者比较起来，由于后者电路设计和使用都比较简单，所以本设计中采用开关控制对不同信号选择性放大。2.3.2 交流放大器的电路设计图2-3 交流放大器电路2.3.3 交流放大器的测试结果 信号源产生频率为1kHz，10mV-1V的参考正弦信号R(t)，输入信号为1kHz
10、，10uV1mV的正弦波S（t）。 测试方法： A：用信号发生器产生幅度为1V，1kHz的参考正弦信号，输入信号为10uV， 1kHz通过100000倍的放大后为1V。 B：用信号发生器产生幅度为1V，1kHz的参考正弦信号，输入信号为100uV，1kHz通过1000倍的放大后为0.1V。 C：用信号发生器产生幅度为1V，1kHz的参考正弦信号，输入信号为1mV，1kHz通过1000倍的放大后为1V。测试结果如表2所示：输入信号参考信号输出信号幅度/V频率/KHZ幅度/V频率/KHZ幅度/V误差%10uV1kHz1V1kHZ0.95V5%100uV1kHZ1V1kHZ0.12V2%1mV1kH
11、Z1V1kHZ1.2V4% 表2 S（t）交流放大测试结果2.4带通滤波器的设计2.4.1带通滤波器的方案设计方案一：采用3个OPA4227和电阻电容来设计带通滤波器，通过在测试信号电路的前级电路放置带通滤波电路，先对混合信号进行预处理，接着再对信号进行处理。方案二：采用美国Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源滤波器UAF42，具有很高的精度，通过改变UAF42的电路参数可以构成高通、低通、带通、带组滤波器。经比较，UAF42更适合我们的精度要求，而且电路简单，所以我们选择方案二。2.4.1带通滤波器的电路设计UAF42具有以下特点：1、 通用性强，可根据需要设计成高通、低通、带通和
12、带组滤波器；2、 设计简单。BB公司还为UAF42专门设计了一个软件，从而可以方便灵活地设计各种不同类型的滤波器。3、 具有高精度频率和高Q值；4、 片内集成有100pF5%的电容。 其内部结构图如图2-4所示：图2-4 UAF42的内部结构图 利用UAF42设计的带通滤波器电路如图2-5：图2-5 带通滤波器电路2.4.1带通滤波器的测试结果带通滤波器3dB频带范围为900Hz1100Hz，测试结果见表3： 输入信号参考信号输出信号幅度/V频率/KHZ幅度/V频率/KHZ幅度/V误差%10uV1Kz1V1KHz10.12uV12%100uV1Kz1V1KHz101.4uF14%1mV1Kz1
13、V1KHz1.10mV10%表3 带通滤波器测试结果2.5 移相器的设计2.5.1 方案设计 因为检测电路选择了锁相放大器，而移相网络是锁相放大器中的一部分，在此进行分析。 方案一：采用全通滤波器模拟移相电路，三级滤波，每一级将电位器全调到零。当把第一级的电位器逐步调到最大时，全通滤波器的移相范围逐步超过90度但不超过180度，当把第二级电位器逐步调到最大时，全通滤波器的移相范围超过180度但不足360度，当把第三级电位器调到最大时，全通滤波器的移相范围达到360度，这样就可以实现0到360度的相移。 方案二：采用数字移相方法，数字移相可以在4个象限内进行089的调节，合起来即实现了0360的
14、移相，由集成芯片控制频率和相位预值，如用CD4046锁相环组成。 方案一与方案二相比，电路简单可靠，且方案二增加了电路的复杂度，成本也很高。故选择方案一。2.5.2 移相器电路设计图2-6 移相器电路 因为输出信号与信号的相位差有关，所以必须加入移相网络。移相是指两种同频的信号，以其中一路为参考，另一路相对于该参考做超前或滞后的移动，即称为相位的移动。由方案论证得，本设计采用模拟移相电路。模拟移相电路其实就是一个全通滤波电路，它的放大倍数Au=（-1+jw*RC）/(1+jw*RC)，写成模和相角的形式为：|Au|=1,=180-2arctan（f/f0） 其中f0=1/（2RC）。每个滤波器相移范围均接近120，所以本设计采用三个一阶滤波器串联（如上图所示），使得整个移相电路能做到接近360的相移范围。2.5.3 移相器测试结果 参考通道的输出r（t）为方波信号，r（t）的相位相对参考信
