鎖定放大器的設計

1、 目錄1. 摘要與系統(tǒng)方案選擇2. 設計原理與理論分析3. 交流放大器4. 有源帶通濾波器5. 硬件設計6. 加法器7. 二階帶通濾波器8. 參考通道9. 實驗數(shù)據(jù)10.軟件程序11. 參考文獻鎖定放大器的設計摘要 本系統(tǒng)以TI公司超低功耗MSP430G2553作為處理核心，進行控制和測量。信號通道對調(diào)制正弦信號輸入運用加法電路以后，先進行衰減10000倍，然后進行交流放大10000倍（一級放大100倍，二級放大100倍），讓信號通過信號通道，一級放大用高精度儀表放大器 INA114對信號進行初步的放大，進一步提升系統(tǒng)的噪聲抑制比，二級放大應用TI通用雙運放OPA2237實現(xiàn)。相敏檢波模塊（相

2、敏檢波器,低通濾波器和直流放大器）由數(shù)字電路用單片機來實現(xiàn)，參考信號通過自制的電阻分壓網(wǎng)絡降壓和TI公司的LM324電壓比較器實現(xiàn)移相器，調(diào)理后匯總進入數(shù)字檢波模塊最后顯示出結(jié)果，順利完成了題目要求。關(guān)鍵詞： 微弱信號放大 精密儀表放大器放大器 數(shù)字檢波 一、 系統(tǒng)方案與選擇1.放大電路的選擇方案一：選用普通運算放大器，價格便宜，技術(shù)成熟，操作難度小。但是會將內(nèi)部嚴重的噪聲放大，共模抑制比一般，測量會存在很大的誤差。方案二：采用高精度儀表放大器INA114是一種通用的儀表放大器，尺寸小精度高，價格低廉，應用廣泛。對于系統(tǒng)的前端放大電路用INA114只需要一個外部電阻就可以設置,電路簡單。由于被

3、測信號小，就要求前置放大器必須具備低噪聲的特點，否則將由于放大器本身的噪聲將使放大器的本身噪聲將使信號淹沒的更深。另外，還要考慮前置放大器具備足夠的放大倍數(shù)，強的共模抑制比。綜上，放大器信號通道要求具有低噪聲和高效益的性能，而TI公司的儀表放大器IN114完美的達到了要求。增益在1-10000之間的任意增益值, 共模抑制比高（G1000時為50dB）,失調(diào)電壓低，漂移?。?.25uVC）測量精準。2.相敏檢測裝置的選擇方案一：輸出前的低通濾波器和直流放大器運用模擬電路來實現(xiàn)，電路簡單操作容易，但是考慮到全局都用模擬來實現(xiàn)會帶來較大誤差。方案二：相敏檢測器與低通濾波器如果用數(shù)字檢波模塊來采集，會

4、增加精準度，但是會有編程上的困難。方案比較：綜上，我們選擇方案二。雖然會有難度的增加，但是實驗的精度卻得以保證。我們設計的鎖定放大器方案如下圖單片機n(t)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整形電路多級移相器方波調(diào)理驅(qū)動參考輸出r(t) 信號x(t)信號通道參考通道S(t)顯示R(t)二、 設計原理及理論分析2、鎖相放大器的基本原理相關(guān)接收原理，在相關(guān)接收中，可以把兩個信號的函數(shù)和的相關(guān)函數(shù)定義為：它是度量一個隨機過程在時間和兩時刻線性相關(guān)的統(tǒng)計參數(shù)，如果和完全沒有關(guān)系，則相關(guān)函數(shù)將是一個常數(shù)。 下面我們設有兩個信號、為：其中、為噪聲，為待測信號

5、，為參考信號。則相關(guān)函數(shù)為：展開得：因為信號和噪聲不相關(guān)，且噪聲的平均值為零，所以都為零。故。這樣我們可以看到，兩個信號經(jīng)過相乘和積分處理后就可以把噪聲抑制，鎖相放大器的核心就是根據(jù)這個原理設計的，見下圖：乘法器積分器參考信號為方波時：由于方波可以傅里葉展開成余弦函數(shù)：，則：鎖定放大器的原理方框圖，原理詳解如下：硬件設計1、信號通道信號通道由加法器、衰減網(wǎng)絡、儀表放大器（一級）、多階有源濾波器（二級）、調(diào)理電路組成。將用另一信號源產(chǎn)生一個頻率為1050至2100HZ的正弦波信號，作為n(t)疊加在鎖定放大器的輸入端，信號幅度等于S(t)。n(t)亦可由與獲得S(t)同樣結(jié)構(gòu)的電阻分壓網(wǎng)絡得到。

6、對輸入的幅度調(diào)制正弦信號進行交流放大，濾波處理。由低噪聲前置放大器，有源帶通濾波器，主放大器等部分組成。其作用是把微弱信號放大到足以推動相關(guān)器工作的電平，并兼有抑制和濾掉部分干擾和噪聲，擴大儀器的動態(tài)范圍。此外，前置放大器的等效噪聲阻抗要與信號源的輸出阻抗相匹配，共模抑制比更高，已達到最佳的噪聲性能。1 加法器加法器由運放組成，有兩個輸入端，一個是信號輸入端，另一個是噪聲或干擾信號輸入，把加法器和噪聲混合起來，便于研究相敏檢測。參考通道用于產(chǎn)生相干檢測所需要的和被測信號同步的參考信號。參考通道首先把和被測信號同頻率的任何一種波形的輸入信號轉(zhuǎn)換為占空比為1:1的方波信號（為了抑制偶次諧波），其頻

7、率和輸入移相器的參考信號的頻率相同。加法器仿真圖如下2 衰減網(wǎng)絡 衰減網(wǎng)絡由兩個電阻（分別為100和1M）組成,由兩個阻值來改變衰減系數(shù)。3 交流放大器該放大電路網(wǎng)絡由TI公司生產(chǎn)的高精度儀表放大器INA114來作為第一級發(fā)大（放大100倍）和二級放大應用TI通用雙運放OPA2237來實現(xiàn)（放大100倍）。儀表放大器放大器信號通道要求具有低噪聲和高效益的性能，而TI公司的儀表放大器IN114完美的達到了要求。增益在1-10000之間的任意增益值,失調(diào)電壓低，共模抑制比高（G1000時為50dB）漂移?。?.25uVC）測量精準。儀表放大器INA114的放大增益公式為：1+50kR1，當R1為5

8、10歐姆時，放大倍數(shù)近似為1004 二階有源帶通濾波器為了方便與簡便我們設計了二階帶通濾波電路，要以f=1KHZ為中心頻率，信號3db頻帶范圍為900 HZ-1100HZ 二階帶通濾波器仿真圖頻率(HZ)幅度(mV)850530.084900702.120950898.2451000999.0711050879.3221100695.6441150558.9231200461.437鎖定放大器的等效噪聲寬帶f=200HZ信號通道中常用的濾波器是中心頻率為載波頻率1KHZ頻帶為3dB的帶通濾波器，在鎖定放大器中，常采用低通濾波器和高通濾波器組合而成的帶通濾波器。2.參考通道參考通道由整形電路（遲

9、滯比較器）、多級移相器、調(diào)理電路組成。調(diào)理電路為方波以后將同步信號輸入相敏檢測部分，再經(jīng)單片機分析，最后由輸出顯示。 3.跟隨器仿真圖 4.遲滯比較器三、 測試方案與計算相關(guān)器的PSD波形觀察及輸出電壓測量角度(度)電壓（伏特）0-1.61630-1.3960-0.804900.04381200.8621501.4281801.625四、 測試結(jié)果可信通道的大小10uV1mV信號通道通帶頻率920HZ1080HZ噪聲信號與S(t)信號 1:1疊加，頻率為1090HZ.增加幅度為10S(t),S(t)的有效值誤差小于10五、 程序設計重要程序/*void main(void) WDTCTL =

10、WDTPW+WDTHOLD; BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ; /設定cpu時鐘DCO頻率為1MHz DCOCTL = CALDCO_8MHZ; BCSCTL2 = DIVS_3; P1DIR |= 0x40; / P1.6 LED輸出 P1IE |= 0x10; / P1.4 中斷使能 P1IES = 0x00; / P1.4 上升沿觸發(fā) P1IFG &= 0x10; / P1.4 清除中斷標志位 /* P1DIR = 0X2E; P2DIR = 0XFF; P2SEL = 0x00; P1OUT&= 0xD1; /* ADC10CTL0 = SREF_1 + ADC10SHT_

11、1 + MSC + ADC10ON + ADC10IE + REFON + REF2_5V ; /參考電壓2.5V / 內(nèi)部電壓參考器 /AD中斷允許 /打開ADC10模塊 /多次采樣/轉(zhuǎn)換控制 /AD采樣保持時間4*ADC10CLK /參考電壓選擇內(nèi)部 ADC10CTL1 = CONSEQ_2 + INCH_0+ADC10SSEL_3+ ADC10DIV_7; /ADC10時鐘選擇分頻數(shù)4 /ADC10時鐘源選擇系統(tǒng)時鐘 /A0通道 / 多次轉(zhuǎn)換 ADC10AE0 = BIT0;/ 使能模擬輸入腳 A0 ADC10CTL0 &= ENC; /ADC不使能?其實這句話可以放在緊接著CPU喚醒之后的，因為CPU喚醒了，說明我們想要的 while (ADC10CTL1 & BUSY); / Wait if ADC10 core is active?等待忙 _EINT(