鎖定放大器的設計

1、 摘要本系統(tǒng)是基于鎖相放大器的微弱信號檢測裝置，由信號通道電路，參考通道電路，相敏檢波器，輸出顯示部分組成。其中信號經電阻分壓網絡生成微小信號，再經過放大和參考通道的方波輸入到AD630,AD630再輸出直流量給單片機采樣顯示。經測試，本系統(tǒng)能準確測量出強噪聲背景下范圍為10uf-1mV的微弱信號，并在液晶準確顯示，基本完成了題目要求。本系統(tǒng)分壓網絡由精密電阻搭建的型分壓網絡，簡單快捷，穩(wěn)定性高，移相運用了有源移相網絡，實現(xiàn)了0到360度連續(xù)調節(jié)。檢測顯示模塊利用高性能MSP430單片機和高精度模數(shù)轉換器ADS1118進行采樣并經12864顯示，美觀大方。關鍵詞 微弱信號 相敏檢波器 MSP4

2、30 目錄1. 設計任務11.1任務11.2基本要求12.方案論證22.1交流放大器22.2帶通濾波器22.3相敏檢波器22.4移相器22.5軟件方案選取32.6系統(tǒng)整體方案32.7系統(tǒng)總體框圖33.理論分析計算33.1硬件電路的設計原理33.1.1信號通道電路的設計33.1.2參考通道觸發(fā)整形電路的設計43.1.3相敏檢波器的設計53.1.4低通濾波器的設計6 3.2單片機控制與系統(tǒng)任務的設計與選取64. 測試結果與誤差分析74.1測試儀器：74.2測試分析74.2.1 衰減器測試74.2.2 移相器測試74.2.3帶寬測試7 4.2.4 微弱信號的測量7 4.2.5 結論與誤差分析85.

3、結論、心得體會86. 參考文獻81設計任務11任務設計制作一個用來檢測微弱信號的鎖定放大器（LIA）。鎖定放大器基本組成框圖見圖一。圖一: 鎖定放大器基本組成結構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)整形移相器方波驅動參考輸出r(t)信號x(t)信號通道參考通道S(t)顯示R(t)12344.112基本要求（1）外接信號源提供頻率為1kHz的正弦波信號，幅度自定，輸入至參考信號R(t)端。R(t)通過自制電阻分壓網絡降壓接至被測信號S(t)端，S(t)幅度有效值為 10V1mV。（5分）（2）參考通道的輸出r(t)為方波信號，r(t)的相位相對參考信號R(t)可連續(xù)調節(jié)或步

4、進移相180度，步進間距小于10度。（20分）（3）信號通道的3dB頻帶范圍為900Hz1100Hz。誤差小于20%。（10分）（4）在鎖定放大器輸出端，設計一個能測量顯示被測信號S(t)幅度有效值的電路。測量顯示值與S(t)有效值的誤差小于10%。（15分）（5）在鎖定放大器信號S(t)輸入端增加一個運放構成的加法器電路，實現(xiàn)S(t)與干擾信號n(t)的1:1疊加，如圖2所示。（5分）（6）用另一信號源產生一個頻率為10502100Hz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)同樣結構的電阻分壓網絡得到。鎖定放大器應盡量降低n(t)

5、對S(t)信號有效值測量的影響，測量誤差小于10%。（20分）（7）增加n(t)幅度，使之等于10S(t)，鎖定放大器對S(t)信號有效值的測量誤差小于10%。（20分）2方案論證2.1交流放大器方案一：采用單級低噪聲放大，能夠很好的抑制噪聲。但是考慮到前級衰減網絡耳朵衰減倍數(shù)，一級放大倍數(shù)會很大，無法達到低噪的效果。方案二：采用兩級放大，前級用儀表放大器，后級用低噪放大器。儀表放大具有很高的共模抑制比，在很高的放大倍數(shù)下依然能夠有很好的噪聲抑制性能。綜上，為了達到很高的放大倍數(shù)且有足夠好的噪聲抑制性能，選擇方案二。2.2帶通濾波器方案一：采用四階巴特沃茲多路反饋型帶通濾波器。該濾波器濾除雜波

6、，但是濾波器設計復雜，且對電電容取值極為敏感，調試略微復雜，且面積較大。方案二：采用集成濾波器。該濾波器設計簡單，只需調整很少的參數(shù)，就能獲得很好的濾波效果，電路設計簡單，且占用很少的面積。綜上，為了減少面積和降低設計復雜程度，采用集成濾波器做前置濾波，以很好的抑制噪聲。2.3相敏檢波器方案一:采用模擬乘法器和低通濾波器組成的相敏檢波器，能夠很好的實現(xiàn)相干檢測，但是考慮到信號的動態(tài)范圍，而模擬乘法器動態(tài)范圍太小。方案二：采用開關模擬乘法器和低通濾波器能夠很好的解決輸入信號的動態(tài)范圍并且實現(xiàn)相干檢測。綜上，考慮到為了實現(xiàn)較大的動態(tài)范圍，選擇開關乘法器。2.4移相器方案一：數(shù)字移相。數(shù)字移相能夠更

7、方便的控制移相大小。但是不增加工作量，相位步進不好控制。方案二：有緣RC移相器。RC移相器不僅解決幅度改變帶來的相位變化，而且連續(xù)可調。電路設計簡單。綜上，考慮到電路設計復雜度和測量準確度，選擇方案二。2.5軟件方案選取方案一：選取STM32作為微處理器，處理器內部具有ADC，優(yōu)點為轉化速率快，缺點是STM32內部AD為12位或8位（可軟件選擇），且參考電壓為最小系統(tǒng)的穩(wěn)壓芯片提供，所采的電壓值并不精準。故需采用外部ADC來進行采樣。方案二：選取MSP430F5529作為微處理器，該處理器優(yōu)點為低功耗，缺點為轉化速率較慢。采用外部高精度AD芯片ADS1118作為模數(shù)轉換考慮到整個系統(tǒng)的設計，軟

8、件設計任務包括ADC的驅動，LCD液晶QC12864B的顯示。MSP430F5529完全可以勝任這項任務。并且MSP430F5529的低功耗性能也可以減小整個系統(tǒng)的功耗，使整個系統(tǒng)更具有穩(wěn)定性。本系統(tǒng)對于ADC芯片的精度要求十分嚴格，而對ADC的轉化速率沒有太大要求，ADS1118的轉化速率為860次每秒（SPS），內部帶有可編程增益放大器，可以選擇較小的量程以提高采樣精度。綜合考慮，我們選用MSP430F5529作為微處理器，ADS1118作為外部ADC來對系統(tǒng)產生的直流進行采樣。2.6系統(tǒng)整體方案：系統(tǒng)采用衰減器把微弱信號送進輸入級，經低噪放大，帶通濾波送進開關乘法器信號輸入端，再由參考通

9、道產生方波驅動開關乘法器，利用相干檢波濾除直流分量，再由ADC采集信號并由液晶顯示屏顯示。2.7系統(tǒng)總體框圖3.理論分析計算3.1硬件電路的設計原理 3.1.1信號通道電路的設計 信號通道電路包括兩路衰減器，加法器，交流放大器，帶通濾波器。當不加干擾信號時，關閉N(t)信號通道，直接測量顯示；疊加干擾信號，直接打開N(t )通道，輸出干擾信號，測量即可。如圖二所示：衰減器由型分壓網絡組成?？紤]到阻抗匹配，設定輸入輸出電阻為50，其衰減倍數(shù)設定為500倍，則R1=R14=25K.加法器要求能實現(xiàn)s (t)與干擾信號n(t )疊加，采用反相加法器可實現(xiàn)此功能。由于進入加法器信號為微弱信號，受噪聲影

10、響大，故采用低噪聲運放opa227,本設計中增益設計為1，所以取R2=R7=R10=1K。交流放大器部分第一級采用INA128放大100倍，INA128是TI公司生產的低噪聲儀表放大器，器輸入噪聲系數(shù)En=8Nv/HZ。性能極為優(yōu)越。其計算公式：Au=1+50k/Rg 所以當Au=100時，取Rg=505。第二級采用低噪聲放大器OP37設計的同相比例放大電路。根據(jù)同相比例電路原理：當Au=10時，取R8=1k，Rf=10k。帶通濾波器采用TI公司生產的通用有源濾波器UAF42。該芯片電路設計簡單，只需參照TI官方芯片資料計算和選取參數(shù)，即能設計符合要求的帶通濾波器。這里我們設計中心頻率1KHz

11、通頻帶為200Hz。參考取值;R13=6.2k,R12=R18=162k 。 圖二：信號通道電路3.1.2參考通道觸發(fā)整形電路的設計 如圖三所示，參考通道觸發(fā)整形電路由兩級有源移相網絡和方波發(fā)生器組成。為實現(xiàn)r（t）的相位相對參考信號R(t)可連續(xù)調節(jié)180度，采用兩級級聯(lián)有源移相電路，通過兩級運放，可輕松實現(xiàn)0到180度移相，實際運用中電路實現(xiàn)了接近0到360度連續(xù)調節(jié)，通過計算，取R1=R2=R3=R4=10K，C2=C3=104,兩滑動變阻器取20K，芯片選用通用型運放OP07。方波電路采用LM311典型應用電路：過零比較器。由于LM311在比較器的輸出端上拉電阻兩端并接一個容量適當?shù)碾?/p>

12、容, 對濾除和減弱振蕩有顯著效果。電容的容量應在實驗的基礎上確定。電容的容量不宜太大, 否則會使輸出脈沖的前沿變壞。而加入電容后會使方波上升沿變緩，這里加入穩(wěn)壓管做箝位電路。圖三：參考通道觸發(fā)整形電路3.1.3相敏檢波器的設計相敏檢波器分為模擬乘法器和開關式乘法器本設計采用開關式乘法器。相敏檢波器PSD的本質其實就是對兩個信號之間的相位進行檢波當兩個信號同頻同相時，這時相敏檢波器相當于全波整流，檢波的輸出最大。設輸入信號為：參考信號方波為：相乘后的結果：上式左邊為差頻分量，右邊為和頻分量。當信號經過低通濾波器時。N>1的差頻分量和和頻分量就會全部濾除。從而得出直流分量：這時，只要我們調整

13、相位差為0，則輸出的直流分量最大，從而可以由單片機采集和輸出。我們采用集成開關模擬乘法器AD630作方波和正弦信號的調制，其電路原理圖如下：圖四：模擬開關乘法器3.1.4低通濾波器的設計為了實現(xiàn)更好的帶外衰減幅度，采用兩級低通濾波器級聯(lián)。因為是濾除直流分量，所以第一級的截止頻率設定為f1=10Hz，f2=5Hz。根據(jù)低通濾波器原理：分別取R1=16K，R2=3.3K；C1=1Uf，C2=10Uf。電路圖如下：圖五：低通濾波器3.2單片機控制與系統(tǒng)任務的設計與選取一單片機通過外部AD：ADS1118來進行數(shù)模轉換。根據(jù)輸入和輸出的比例關系來進行數(shù)值校訂。TI的ADS1118的轉化速率為860次每

14、秒（SPS），內部帶有可編程增益放大器，可以選擇較小的量程以提高采樣精度.以下為軟件流程圖：4.測試結果與誤差分析4.1測試儀器:序號儀器名稱儀器型號1泰克示波器TDS30352B2安捷倫萬用表34401A3安捷倫信號發(fā)生器3352A4.2測試分析4.2.1 衰減器測試： 信號源輸出500mvrms正弦信號時，用安捷倫萬用表測得衰減網絡輸出1mvrms，故衰減倍數(shù)為500倍。4.2.2 移相器測試：用泰克示波器顯示輸入正弦波與輸出方波相位差。通過改變移相網絡中的兩個滑動變阻器阻值，實現(xiàn)了0度到360度連續(xù)可調。4.2.3帶寬測試：調整信號源頻率初始頻率為1Khz，帶通濾波器輸出為1Vmrs。調

15、整信號頻率，觀察并記錄，結果如下表：上限截止頻率下限截止頻率測量值/Hz9021104標準值/Hz9001100誤差0.2%0.36%結果分析：帶通濾波器的通頻帶在902Hz1104Hz，完全滿足測試要求。4.2.4微弱信號的測量： 測量方法：調節(jié)信號源的輸出電壓，觀察并記錄液晶顯示的數(shù)值。結果如下表：系統(tǒng)輸入電壓/uVrms10004002001008060402010顯示電壓/uVrms1040.5420.7214.8104.282.458.837.318.29.0 當疊加干擾信號時，輸入到加法器通道一為1000Hz ,1mvrms信號不變，通道二為干擾信號，結果如下表：干擾信號頻率顯示值

16、干擾信號幅度 1mvrms 10mvrms 1050Hz 1048.5mvrms 1091mvrms 2000Hz 1045mvrms 1060mvrms 結果分析：無論是否疊加干擾信號，測量結果完全符合題目要求。4.2.5 結論與誤差分析 由以上測量數(shù)據(jù)可知，基本所有測量結果誤差均低于5%，但加入1:10噪聲后，測量誤差變大，接近10%。誤差的來源可能是：1. 電阻的阻值不是標準的標稱值。2. 電路會有分布電容，分布電感，所以會影響測量結果。3. 由于當初校準的時候使用不同儀器進行校準，所以用新的儀器測量時，可能會改變誤差。5.結論、心得體會這次TI杯比賽，本組成員學到很多。在這個過程，我們對題目的分析與設計能力，對電路的制作與探究能力，都得到了很大的提升。深刻的理解了鎖定放大的原理及在微弱