鎖定放大器的設(shè)計(jì)

【摘要】鎖定放大器是微弱信號(hào)檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)，本設(shè)計(jì)以相敏檢波為核心，實(shí)現(xiàn)了微弱信號(hào)檢測(cè)的鎖定放大器的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】鎖定放大器;相敏檢波;數(shù)字移相

引言

微弱信號(hào)檢測(cè)（Weak Signal Detect）是利用電子學(xué)，信息論，物理學(xué)和計(jì)算機(jī)（積分器）組成的互相關(guān)運(yùn)算，用模擬電路實(shí)現(xiàn) 基于相關(guān)運(yùn)算的模擬鎖定放大器。它在認(rèn)識(shí)噪聲、信號(hào)的物理特性和相關(guān)性的基礎(chǔ)上，把被噪聲淹沒的有用信號(hào)提取出來的一門技術(shù)科學(xué)。

1.設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，交流放大器、相敏檢波與低通濾波和相位檢測(cè)與控制。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有三個(gè)突出特點(diǎn)：

一是采用了低噪聲、高精度運(yùn)算放大器OPA2277實(shí)現(xiàn)對(duì)10uV信號(hào)的放大;

二是采用了高精度的相敏檢波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)已知相位信號(hào)的高精度檢測(cè);

三是采用數(shù)字相移技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的0～180o高精度相移，同時(shí)采用單片機(jī)和TI的12位高速高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)信號(hào)的峰值、有效值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示。

圖1 鎖定放大器基本結(jié)構(gòu)框圖

2.硬件電路設(shè)計(jì)

鎖定放大器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括交流放大部分和相敏檢波部分。由于被測(cè)信號(hào)很微弱，則要求前置放大器必須具備高增益、低噪聲的特點(diǎn)，故交流放大器采用高精度、低噪聲OPA2227雙運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放大，電路原理圖如圖2（a）所示。相敏檢波器采用模擬開關(guān)CD4503實(shí)現(xiàn)斬波功能，達(dá)到全波整流的目的。檢波電路具有判別信號(hào)相位和頻率的能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。電路原理圖如圖2（b）所示。

圖2 （a）二級(jí)交流放大原理圖 （b）相敏檢波電路原理圖

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相功能及有效值的顯示。系統(tǒng)軟件采用C語言開發(fā)，在keil環(huán)境下調(diào)試并實(shí)現(xiàn)功能。數(shù)字移相程序流程圖（圖3為主程序流程圖和數(shù)字移相流程圖）。

4.測(cè)試結(jié)果

（1）圖4為相敏檢波電路仿真結(jié)果。

（2）微弱信號(hào)S（t）有效值的測(cè)試結(jié)果

固定移相相位0度，調(diào)節(jié)第一級(jí)純電阻分壓的104電位器，監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)幅值與AD采集直流放大輸出電壓，將采集數(shù)據(jù)在Excel數(shù)據(jù)表中擬合數(shù)據(jù)線性關(guān)系，測(cè)量數(shù)據(jù)以及對(duì)數(shù)據(jù)分析曲線如下：

幅值/mV 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

ADC采集/mv 1930 1875 1810 1755 1700 1641 1582 1532 1472 1418

5.結(jié)語

本文提出了一種基于二選一模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的鎖定放大器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，解決了在應(yīng)用設(shè)計(jì)中電路復(fù)雜的問題。電路穩(wěn)定可靠，精度高，抗噪性能強(qiáng)，對(duì)工業(yè)控制、儀器儀表等諸多領(lǐng)域具有很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]康華光.《電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分》（第五版）.高等教育出版社，2006年.

[2]康華光.《電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分》（第五版）.高等教育出版社，2006年.

[3]高晉占.《微弱信號(hào)檢測(cè)》.清華大學(xué)出版社，2004年.

作者簡(jiǎn)介：鮑宋（1989—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于長(zhǎng)江大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)。

通訊作者：魏呈霖（1989—），男，長(zhǎng)江大學(xué)在讀碩士研究生。