鎖定放大器的設(shè)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(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)生成微小信號，再經(jīng)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(jīng)測試，本系統(tǒng)能準(zhǔn)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(zhǔn)確顯示，基本完成了題目要求。本系統(tǒng)分壓網(wǎng)絡(luò)由精密電阻搭建的型分壓網(wǎng)絡(luò)，簡單快捷，穩(wěn)定性高，移相運用了有源移相網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了0到360度連續(xù)調(diào)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(zhuǎn)換器ADS1118進行采樣并經(jīng)12864顯示，美觀大方。關(guān)鍵詞 微弱信號 相敏檢波器 MSP4

2、30 目錄1. 設(shè)計任務(wù)11.1任務(wù)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(shè)計原理33.1.1信號通道電路的設(shè)計33.1.2參考通道觸發(fā)整形電路的設(shè)計43.1.3相敏檢波器的設(shè)計53.1.4低通濾波器的設(shè)計6 3.2單片機控制與系統(tǒng)任務(wù)的設(shè)計與選取64. 測試結(jié)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(jié)論與誤差分析85.

3、結(jié)論、心得體會86. 參考文獻(xiàn)81設(shè)計任務(wù)11任務(wù)設(shè)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(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)整形移相器方波驅(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)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(wǎng)絡(luò)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(diào)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(shè)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(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)得到。鎖定放大器應(yīng)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(wǎng)絡(luò)耳朵衰減倍數(shù)，一級放大倍數(shù)會很大，無法達(dá)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(dá)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(shè)計復(fù)雜，且對電電容取值極為敏感，調(diào)試略微復(fù)雜，且面積較大。方案二：采用集成濾波器。該濾波器設(shè)計簡單，只需調(diào)整很少的參數(shù)，就能獲得很好的濾波效果，電路設(shè)計簡單，且占用很少的面積。綜上，為了減少面積和降低設(shè)計復(fù)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(guān)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(guān)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(diào)。電路設(shè)計簡單。綜上，考慮到電路設(shè)計復(fù)雜度和測量準(zhǔn)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(nèi)部具有ADC，優(yōu)點為轉(zhuǎn)化速率快，缺點是STM32內(nèi)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(zhǔn)。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(zhuǎn)化速率較慢。采用外部高精度AD芯片ADS1118作為模數(shù)轉(zhuǎn)換考慮到整個系統(tǒng)的設(shè)計，軟

8、件設(shè)計任務(wù)包括ADC的驅(qū)動，LCD液晶QC12864B的顯示。MSP430F5529完全可以勝任這項任務(wù)。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(yán)格，而對ADC的轉(zhuǎn)化速率沒有太大要求，ADS1118的轉(zhuǎn)化速率為860次每秒（SPS），內(nèi)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(chǎn)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(jīng)低噪放大，帶通濾波送進開關(guān)乘法器信號輸入端，再由參考通

9、道產(chǎn)生方波驅(qū)動開關(guān)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(shè)計原理 3.1.1信號通道電路的設(shè)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(dāng)不加干擾信號時，關(guān)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(wǎng)絡(luò)組成?？紤]到阻抗匹配，設(shè)定輸入輸出電阻為50，其衰減倍數(shù)設(shè)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(shè)計中增益設(shè)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(chǎn)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(dāng)Au=100時，取Rg=505。第二級采用低噪聲放大器OP37設(shè)計的同相比例放大電路。根據(jù)同相比例電路原理：當(dāng)Au=10時，取R8=1k，Rf=10k。帶通濾波器采用TI公司生產(chǎn)的通用有源濾波器UAF42。該芯片電路設(shè)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(shè)計符合要求的帶通濾波器。這里我們設(shè)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(shè)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(wǎng)絡(luò)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(diào)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(diào)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(yīng)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(dāng)?shù)碾?/p>

12、容, 對濾除和減弱振蕩有顯著效果。電容的容量應(yīng)在實驗的基礎(chǔ)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(shè)計相敏檢波器分為模擬乘法器和開關(guān)式乘法器本設(shè)計采用開關(guān)式乘法器。相敏檢波器PSD的本質(zhì)其實就是對兩個信號之間的相位進行檢波當(dāng)兩個信號同頻同相時，這時相敏檢波器相當(dāng)于全波整流，檢波的輸出最大。設(shè)輸入信號為：參考信號方波為：相乘后的結(jié)果：上式左邊為差頻分量，右邊為和頻分量。當(dāng)信號經(jīng)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(diào)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(guān)模擬乘法器AD630作方波和正弦信號的調(diào)制，其電路原理圖如下：圖四：模擬開關(guān)乘法器3.1.4低通濾波器的設(shè)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(shè)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(wù)的設(shè)計與選取一單片機通過外部AD：ADS1118來進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。根據(jù)輸入和輸出的比例關(guān)系來進行數(shù)值校訂。TI的ADS1118的轉(zhuǎn)化速率為860次每

14、秒（SPS），內(nèi)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(jié)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(diào)。4.2.3帶寬測試：調(diào)整信號源頻率初始頻率為1Khz，帶通濾波器輸出為1Vmrs。調(diào)

15、整信號頻率，觀察并記錄，結(jié)果如下表：上限截止頻率下限截止頻率測量值/Hz9021104標(biāo)準(zhǔn)值/Hz9001100誤差0.2%0.36%結(jié)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(diào)節(jié)信號源的輸出電壓，觀察并記錄液晶顯示的數(shù)值。結(jié)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(dāng)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(jié)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(jié)果分析：無論是否疊加干擾信號，測量結(jié)果完全符合題目要求。4.2.5 結(jié)論與誤差分析 由以上測量數(shù)據(jù)可知，基本所有測量結(jié)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(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱值。2. 電路會有分布電容，分布電感，所以會影響測量結(jié)果。3. 由于當(dāng)初校準(zhǔn)的時候使用不同儀器進行校準(zhǔn)，所以用新的儀器測量時，可能會改變誤差。5.結(jié)論、心得體會這次TI杯比賽，本組成員學(xué)到很多。在這個過程，我們對題目的分析與設(shè)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