鎖定放大器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

鎖定放大器的設(shè)計(jì)摘要本系統(tǒng)為一個(gè)用來(lái)檢測(cè)微弱信號(hào)并且能夠抗干擾的鎖定放大器（LIA）裝置,采用MSP430G2553單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器件，用ADS1115集成A/D轉(zhuǎn)換芯片將放大后的微弱信號(hào)采集回來(lái)在通過(guò)程序縮小相同的倍數(shù)之后顯示在液晶上。由信號(hào)衰減模塊、交流放大模塊、帶通濾波模塊、加法器模塊、觸發(fā)整形模塊、移相模塊、相敏檢波模塊、低通濾波模塊、直流放大模塊、5V穩(wěn)壓模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊、LCD顯示模塊、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。具有參考信號(hào)步進(jìn)移相間距小、信號(hào)通道通頻帶窄、數(shù)據(jù)采集及輸出精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞鎖定放大微弱信號(hào)檢測(cè)抗干擾相敏檢波移相MSP430ADS1112LCD12864一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與比較根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，要完成微弱正弦信號(hào)的檢測(cè)并顯示其有效值，且要求達(dá)到一定精度。為實(shí)現(xiàn)此功能，本設(shè)計(jì)提出的總體方案如圖1所示。1、控制系統(tǒng)的方案論證方案一51單片機(jī)51單片機(jī)可以直接對(duì)I/O口進(jìn)行進(jìn)行位操作，寄存器的配置操作簡(jiǎn)單，因此寄存器的數(shù)量功能也十分有限。而且不能捕捉跳變沿捕獲，也不能輸出PWM。方案二430單片機(jī)速度快，功耗低，外設(shè)豐富，有捕獲模塊，移相效果好。由于此設(shè)計(jì)移相時(shí)需要用捕獲信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，故此設(shè)計(jì)更適合用430單片機(jī)。、帶通濾波器的方案論證方案一此方案由一個(gè)低通濾波器與一個(gè)高通濾波器級(jí)聯(lián)而成，此電路可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波的功能，但通帶不夠平坦。方案二采用兩個(gè)有源帶通濾波器級(jí)聯(lián),與方案一相比，不同的中心頻率，但其通帶更加平坦，效果更好故選用方案二。3、相敏檢波器的設(shè)計(jì)方案一開關(guān)式乘法器即變頻器，其中的MOS管起一個(gè)開關(guān)的作用，但輸入容較大，輸出波形會(huì)出現(xiàn)毛刺。方案二同為開關(guān)式乘法器，其中結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管起著開關(guān)作用，其輸入電容電壓較小，故輸出波形毛刺較小，效果好，故選用方案二。4、移相器的設(shè)計(jì)方案一橋式RC模擬移相。采用該方案需要可變電容器，手動(dòng)調(diào)節(jié)步進(jìn)間距，步進(jìn)間距很難控制。方案二數(shù)字移向器不需要復(fù)雜的硬件電路，只需要程序就能實(shí)現(xiàn)，而且還能連續(xù)圖1鎖定放大器基本組成結(jié)構(gòu)框圖交流放大器相敏檢波器直流放大器低通濾波器帶通濾波器觸發(fā)整形MSP430移相方波驅(qū)動(dòng)參考輸出RT信號(hào)XT信號(hào)通道參考通道ST顯示RT交流放大器帶通濾波器信號(hào)XT鎖定放大器圖2鎖定放大器疊加噪聲電路圖ST加法器NTNTSTNTNT步進(jìn)移相，步進(jìn)間距可以自定，便以控制。故采用此方案。二、理論分析與計(jì)算1、外接信號(hào)源的幅度分析與計(jì)算外接信號(hào)源的幅度有效值設(shè)計(jì)為大約11MV1V,輸入至參考信號(hào)R（T）端，然后經(jīng)過(guò)由100千歐和100歐自制的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)降壓接至被測(cè)信號(hào)S（T）端，則可達(dá)到題目要求的ST幅度有效值為10UV1MV。2、交流放大器的放大倍數(shù)分析與計(jì)算流入ST的信號(hào)經(jīng)兩個(gè)反相比例放大器放大，一個(gè)放大33倍，兩個(gè)就放大1089倍。3、帶通濾波器電路的分析與計(jì)算信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)帶通濾波器后達(dá)到了帶通濾波的目的，且限制頻帶范圍為900HZ1100HZ，誤差能夠達(dá)到題目要求。4、移相器電路的分析與計(jì)算設(shè)步近角為X度，計(jì)數(shù)Y,X/360Y/16000000/1MSY/16000,則X360Y/16000,令Y222,則X大約為5，程序就以這樣的計(jì)算方式來(lái)控制MSP430以此滿足題目要求。5、相敏檢波器模塊的分析與計(jì)算被測(cè)信號(hào)ST、參考信號(hào)RT和NT干擾信號(hào)及進(jìn)入相敏濾波器，相敏濾波器把輸入的信號(hào)的頻譜進(jìn)行遷移，遷移后形狀不變。三、電路設(shè)計(jì)1、加法器和交流放大器模塊電路此部分由RT利用電阻分壓作為被測(cè)信號(hào)輸入到ST端,利用加法器將干擾信號(hào)與被測(cè)信號(hào)進(jìn)行疊加，并且采用了繼電器來(lái)代替普通開關(guān)，使電路更智能化。如圖三所示。0K96UFC7GNDUTL8M信圖3加法器與交流放大器2、帶通濾波器模塊電路帶通濾波采用兩級(jí)帶通濾波，經(jīng)實(shí)際測(cè)量通頻帶在910HZ1105HZ。如圖4所示。43NFC1560KR278UTLGND信圖4帶通濾波器3、觸發(fā)整形模塊電路此電路由過(guò)零比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)把正弦波整形為方波。T圖5過(guò)零比較器4、MSP430移相模塊電路和用12864顯示模塊此電路以MSP430為控制中心原件來(lái)實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)的移相功能，且通過(guò)程序控制ADS1115、MSP430及LCD12864來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的顯示。VPASI9JIOCKEBYPXOE/W圖6MSP430控制顯示及移相電路5、相敏檢波模塊用JFETN來(lái)充當(dāng)一個(gè)開關(guān)的作用，從而實(shí)現(xiàn)相敏檢波的功能，此后再加一個(gè)跟隨器，減小輸出電阻，減小負(fù)載對(duì)電路的影響。47KR2518GND信3UTL0JFE圖7相敏檢波電路6、低通濾波模塊采用兩級(jí)有源低通濾波器，截止頻率10HZ左右。UCTL9圖8兩級(jí)低通濾波器7、直流放大模塊圖9直流放大電路四、程序設(shè)計(jì)1、重要模塊程序的實(shí)現(xiàn)（1）MSP430移相模塊此模塊主要由程序來(lái)控制MSP430實(shí)現(xiàn)，輸入方波后，MSP430進(jìn)行捕捉。當(dāng)捕捉到信號(hào)的上升沿時(shí)，定時(shí)改變相位，P10輸出為1；當(dāng)捕捉到信號(hào)的下降沿時(shí)，定時(shí)改變相位，P10輸出為0。則實(shí)現(xiàn)了移相的功能。（2）ADS1115采集與LCD12864顯示模塊輸出的模擬信號(hào)信號(hào)經(jīng)過(guò)ADS1115轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)12864把得到的數(shù)字信號(hào)顯示出來(lái)，此過(guò)程都由AD轉(zhuǎn)換程序和LCD12864顯示程序進(jìn)行控制。2、主要程序流程圖（移相與顯示）開始輸入方波MSP430捕捉捕捉到上升沿定時(shí)改變相位捕捉到下降沿定時(shí)改變相位P10輸出為1P10輸出為0開始由MSP430輸出信號(hào)ADS1112采集LCD12864顯示圖10移相與顯示程序流程圖五、作品測(cè)試1、測(cè)試儀器DH1718D2型雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、TFG1005DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，DS5022型號(hào)的示波器、臺(tái)式萬(wàn)用表。2、測(cè)試方案用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一路1KHZ/2VVPP的正弦波送至參考信號(hào)RT端，再產(chǎn)生另一路1050HZ2100HZ幅度相同的正弦波作為干擾信號(hào)NT,各級(jí)輸入輸出信號(hào)端都留有檢測(cè)端子，加上輸入信號(hào)之后只需用示波器觀測(cè)各觀測(cè)點(diǎn)的輸出波形，然后分析每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的輸出波形及頻率特性，改變NT的幅度繼續(xù)分析。3、測(cè)試結(jié)果1移相電路測(cè)試參考信號(hào)RT為1KHZ正弦波，峰峰值為1V，本方案采用數(shù)字移相，步進(jìn)角為5度，實(shí)際測(cè)試采用雙蹤示波器進(jìn)行，結(jié)果如表2所示。表2RT相移（度）測(cè)試結(jié)果度誤差15512230300100339090050054180180201（2）通頻帶測(cè)試?yán)碚撝禍y(cè)量值誤差9001100905111005（3）無(wú)噪聲輸入下結(jié)果測(cè)試本系統(tǒng)增益為1000倍，輸出采用萬(wàn)用表測(cè)量其有效值，結(jié)果如表3所示。表3輸入信號(hào)ST理論值測(cè)量值誤差11V035850357V04205V01790174V2411噪聲輸入下結(jié)果測(cè)試表4輸入信號(hào)ST理論值測(cè)量值誤差11V035850352V394205V0179016585110噪聲輸入結(jié)果測(cè)試表5輸入信號(hào)ST理論值測(cè)量值誤差11V035850352V394205V01790165V84、結(jié)果分析電阻分壓網(wǎng)絡(luò)正常衰減輸入信號(hào)，交流直流放大器均正常放大。帶通濾波器的低頻截止頻率為910HZ，高頻截止頻率為1105HZ，通頻帶大致在900HZ1100HZ的范圍左右，誤差5。移相器是通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)等間距步進(jìn)，步進(jìn)幅度5，小于10。相敏檢波器能正常輸出相應(yīng)的信號(hào)，工作正常。由于一級(jí)低通濾波的效果不太理想，所以我們采用的兩級(jí)濾波，截止頻率為10HZ左右。AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器能正常采集數(shù)據(jù)并通過(guò)單片機(jī)處理現(xiàn)實(shí)在液晶上,誤差較小。改變干擾信號(hào)的幅度，經(jīng)過(guò)帶通濾波器后基本被濾掉，輸出信號(hào)基本不產(chǎn)生變化。六、總結(jié)本系統(tǒng)將數(shù)字電路和模擬電路有效的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)微弱信號(hào)的功能。此電路用加法器將干擾信號(hào)與被測(cè)信號(hào)疊加，參考信號(hào)通過(guò)電阻分壓功能降壓后與被測(cè)信號(hào)輸入端相連，然后經(jīng)過(guò)交流放大器（此部分采用了繼電器，使設(shè)計(jì)更智能化）對(duì)輸入的信號(hào)兩級(jí)放大，然后通過(guò)帶通濾波器濾波；參考信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器與由MSP430控制的移相電路得到RT,接著將RT與帶通濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)行相頻檢測(cè)，得到的信號(hào)再依次經(jīng)過(guò)帶通跟隨器、低通濾波器，直流放大器，輸出的信號(hào)再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再將信號(hào)由LCD12864顯示出來(lái)。各項(xiàng)指標(biāo)都已達(dá)到題目要求，且精度高、智能化。參考文獻(xiàn)1李智奇著MSP430系列低功耗單片機(jī)原理與設(shè)計(jì)西安電子科技大學(xué)出版社,20082譚浩強(qiáng)著C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)第三版清華大學(xué)出版社,20053胡大可