锁相放大器原理及仿真

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1、锁相放大器的使用目录第一章 选题背景1.1 背景说明 31.2 选题依据 31.3 本文工作 4 第二章 锁相放大器的原理 5 第三章 研究与分析 83.1 参考信号产生的方法比较与选择83.2 前端放大器的设计83.3 移相方法比较与选择83.4 相敏检波器的方法比较与选择8 第四章 系统设计104.1 总体设计 104.2 硬件设计 114.2.1 前置放大器的设计 114.2.2 移相电路的设计 124.2.3 相敏检波的设计 134.2.4 低通滤波器的设计 144.3 软件设计 15 第五章 系统测试 16 第六章 附录 18 总结26 致谢27 参考文献28第一章 选题背景背景说明

2、1962年美国EG&G PARC（SIGNAL RECOVERY公司的前身）的第一台锁相放大 器（Lock-in Amplifier，简称LIA）的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的 突破，极大地推动了基础科学和工程技术的发展。目前，微弱信号检测技术和仪 器的不断进步，已经在很多科学和技术领域中得到广泛的应用，未来科学研究不 仅对微弱信号检测技术提出更高的要求，同时新的科学技术发展反过来促进了微 弱信号检测新原理和新方法的诞生。早期的 LIA 是由模拟电路实现的，随着数字技术的发展，出现了模拟与数 字混合的LIA，这种LIA只是在信号输入通道，参考信号通道和输出通道采用了 数字滤波器来抑制噪

3、声，或者在模拟锁相放大器（简称ALIA）的基础上多了一 些模数转换（ADC）、数模转换（DAC）和各种通用数字接口功能，可以实现由 计算机控制、监视和显示等辅助功能，但其核心相敏检波器（PSD）或解调器仍是 采用模拟电子技术实现的，本质上也是ALIA。直到相敏检波器或解调器用数字 信号处理的方式实现后，就出现了数字锁相放大器（简称DLIA），DLIA比ALIA 有许多突出的优点而倍受青睐，成为现在微弱信号检测研究的热点，但是在一些 特殊的场合中，ALIA仍然发挥着DLIA不可替代的作用。选题依据微弱信号检测技术是一门新兴的技术科学，它运用近年来迅速发展起来的电 子学、信息论和物理学方法，分析噪

4、声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声 的统计特性及其差别，采用一系列的信号处理方法，达到检测被背景噪声覆盖的 微弱信号。运用微弱信号检测技术可以测量到传统观念认为不能测量的微弱信 号，如弱光、小位移、微震动、微温差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流 等，使微弱信号测量精度得到很大的提高。“微弱信号不仅意味着信号的幅度小，而且主要指的是被噪声淹没的信号， “微弱”是相对于噪声而言的。为了检测被噪声覆盖的微弱信号，人们进行了长 期的研究工作，分析噪声产生的原因与规律，研究被测信号的特点、相关性及噪 声的统计特性，以寻造出从背景噪声中检测出有用信号的方法。微弱信号检测技 术大量应用在光谱学、物理

5、、化学、天文、光通讯、雷达、声纳、以及生物医学 工程领域。目前的微弱信号检测的方法有窄带滤波、取样积分、相关检测、三重 相关匹配、随机共振、混沌振子、小波变换等方法。能在背景噪声中检测有用信 号的微弱信号检测仪器，为现代科学技术和工农业生产提供了强有力的测试手 段，应用范围遍及几乎所有的科学领域，已成为现代科技必备的常用仪器。微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就要采用电子学、信息论、 计算机和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号，从而满足现代 科学研究和技术发展的需要。微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重 的不是传感器的物理模型和传感原理、相应的信号转换电路和仪表实

6、现方法，而 是如何抑制噪声和提高信噪比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声 的技术.对于各种微弱的被测量，如弱光、小位移、微震动、微温差、小电容、 弱磁、弱声、微电导、微电流等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流 或低电压，再经放大器放大其幅度达到预期被测量的大小。但是，由于被测量的 信号微弱，传感器、放大电路和测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比 有用信号的幅度大的多，放大被测信号的同时也放大了噪声，而且必然会附加一 些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和各种外部干扰的影响，因此只靠放 大是不能把微弱信号检测出来的。只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号 的幅度，才能

7、提取出有用的信号。为了达到这样的目的，必须研究微弱信号检测 理论、方法和设备。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些 新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。对微弱信号检测理论的研 究，探索新的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领 域的一个热点。检测微弱信号的核心问题是对噪声的处理，最简单、最常用的办法是采用 选频放大技术，使放大器的中心频率fO与待测信号频率相同，从而对噪声进行 抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。后来发展了 锁相放大技术。它利用等测信号和参与信号的相互关检测原理实现对信号的窄带 化处理，能有效的抑制噪声，实现

8、对信号的检测和跟踪。目前，锁相放大技术已 广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。因此，培养学生掌握这种技 术的原理和应用，具有重要的现实意义。所以针对微小信号测量，我们很有必要 针对锁相放大器进行研究和设计.第二章 锁相放大器的原理锁相放大器L队（Lock, in Amplifier，简称L队）就是利用互相关的原理设 计的一种同步相干检测仪。它是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子 设备。在测量中，噪声是一种不希望的扰乱信号，它是限制和影响测量仪器的灵 敏度的白噪声和 1f 噪声的低频噪声。这些噪声是无法用屏蔽等措施消除的。 为了减少噪声对有用信号的影响，常用窄带滤波器滤除带外噪

9、声，以提高信号的 信噪比。但是，由于一般滤波器的中心频率不稳，而且带宽和中心频率以及滤波 器的 Q 值有关等原因，使它不满足更高的滤除噪声之要求。根据相关原理，通过 乘法器和积分器串联，进行相关运算，除去噪声干扰，实现相敏检波，锁相放大 器采用互相关接受技术使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级。另外，还可 以用斩波技术，把低频以至直流信号变成高频交流信号后进行处理，从而避开了 低频噪声的影响。锁相放大器抑制噪声的性能如下：国内外生产的锁相放大器的等效噪声带宽厶在 103Hz 数量级，少数的可以达 到4X104Hz，信号带宽2. 55X 106Hz,可见，仪器具有非常窄的信号和噪声带 宽，通常

10、带通滤波器由于 Q 值的定义，常规滤波器很难达到一些性能。而锁相放 大器被测信号和参考信号是同步的，它不存在频率稳定性问题，所以可以把它看 成为一个“跟踪滤波器。它的等效 Q 值由低通滤波器的积分时间常数决定，所 以对元件和环境的稳定性要求不高。研究表明，锁相放大器使信噪比提高一万多 倍即信噪比提高了 80dB 以上。这足以表明，采用相关技术设计的锁相放大器具 有很强的抑制噪声能力。目前锁相放大器有如下特点：极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益 可达1011（即220dB）,能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压 正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差，满刻度灵敏度达 p

11、V、nV 甚 至于 pV 量级。由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声性能。它和一般的带通放大器不同， 输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。 因此，这实际上不符合常规放大器的功能。在国外常把这类仪器称为锁相放大器。 可理解为把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。因此，将锁相放 大器称为“锁定检测仪或“同步检测仪或许更为确切。但目前国内都称为“锁 相放大器或“锁定放大器。锁相放大器通常分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器，而两种类型的 L 队各有优缺点。常用的模拟锁相放大器虽然速度快，但是参数稳定性和灵活性差， 且在与微处理器通讯的时候需要转换电路；传统数

12、字锁相放大器一般使用高速ADC对信号进行高速采样，然后使用比较复杂的算法进行锁相运算，这对微处理 器的速度要求很高。为了大幅度提高检测下限和测量灵敏度，不仅要减少测量系统的噪声，而且 要能从噪声中提取信号，故采用的新思路，进行相干检测。其基本思想是：1）首先使测量系统的主要部分，避开噪声功率密度大的地方，从而使输入噪 声较小。已知在低频区，闪烁噪声可以比自噪声高出数倍、数十倍、甚至数百倍。 因此，要设法使信号不失真的从低频区移出（1/F角以外）。2）对不同的频率信号，应该设法将其移频至固定中心频率，这样就可以使用 固定中心频率，固定频带的BPF。3）从信号与噪声的特征对比可以看出，信号与多数噪

13、声有频率和相位两个方 面的不同。BPF只是利用频率特征的识别。因此，如果再利用相位特征的识别， 将可把同频率、不同相位的噪声大量排除。在光学中，对频率和相位都进行区分 的方法称为相干法，故这种检测方法叫相干检测，在电子学中，这种检测方法称 为锁定相位。把上述三种设想加以实施，而完成频域信号相干检测的系统，称为锁相放大 器（Lock. illAmplifier，简写LIA）。其框图见图2-1所示。各部件的功能是： 信号通道把输入信号选频放大（初步滤除噪声）后，输入给相关器：参考通道在触 发信号的同步下，输出相位可调节的、与输入信号同频率的参考波形；相关器对 两路信号进行运算，然后对结果处理并输出

14、.图2-1锁相放大器原理框图第三章 研究与分析3.1 参考信号产生的方法比较与选择参考信号(Reference Signal,RS)，就是常说的“导频信号，是由发射端 提供给接收端用于信道估计或信道探测的一种已知信号。 要产生一定频率范围 的正弦波参考信号主要有三种方法：通过 C51 控制 MAX038 产生正弦波，或通过 C51控制DDS产生正弦波,直接由C51产生正弦波。三者比较起来，由于单片机直接控制输出正弦波，电路简单便于实现，调试 容易，所以在本设计中采用单片机来作为产生参考信号的波形发生器。3.2 前端放大器的设计方案一：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luV100mV的选择性放大，但是编程比较复杂。方案二：使用常用运放 OPA2335，OPA132 的组合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。3.3 移相方法比较与选择方案