2014年TI杯鎖定放大器制作論文

1、2014年TI杯競賽陜西賽區(qū)設(shè)計(jì)報(bào)告封面（81190912 ）參賽隊(duì)編號（參賽學(xué)校填寫）學(xué)校編號組（隊(duì)）編號選題編號摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微弱信號檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。微弱信號檢測技術(shù)是利用電子學(xué)、信息論和物理學(xué)的方法，研究被測信號的特點(diǎn)與相關(guān)性，分析噪聲產(chǎn)生的原理和規(guī)律，檢測被噪聲背景淹沒的微弱信號的一門新興的科學(xué)技術(shù)，鎖定放大器作為檢測微弱信號的常用儀器，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、醫(yī)療設(shè)備等眾多領(lǐng)域中。鎖定放大器的設(shè)計(jì)由信號通道、相敏檢波和帶通濾波、參考信道三大主要模塊組成;通過輸入信號與同頻參考信號的互相關(guān)計(jì)算，可以濾除絕大部分噪聲，再經(jīng)過低通濾波器輸出直流信號，經(jīng)AD采樣后達(dá)到測

2、量出小信號的目的。 關(guān)鍵字 相敏檢測 濾波 放大 微弱信號檢測 MSP430G2553 ABSTRACTWith the development of science and technology ,the weak signal detection technology arises at the historic moment. Base on electronics ，information theory and physics methods,weak signal detection technology researches the characteristics of the m

3、easured signal and relevance of the background noise.Lock-in Amplifier is widely use in weak signal detection technology. Lock-in Amplifier design by the signal channel ,phase sensitive detection and low pass filtering , a reference channel of the three major modules. Through the input signals with

4、same frequency reference signal cross-correlation calculation,can filter out most of the noise,after low pass filter output dc signal,after the AD sampling to measure the small signal. keywords phase-sensitive detection filtration amplification weak signal detection MSP430G2553目 錄摘要 . I Abstract.II

5、第一章 緒論.11.1 鎖相放大器的發(fā)展.11.2微弱信號檢測鎖定放大器.11.3鎖定放大器設(shè)計(jì)內(nèi)容.2第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì).2.1 總體方案設(shè)計(jì). 2.1.1總體設(shè)計(jì)思路. 2.1.2總體設(shè)計(jì)框圖. 2.1.3各模塊電路設(shè)計(jì).2.2理論分析與計(jì)算. 2.2.1交流放大與帶通濾波模塊. 2.1.2移相器模塊. 2.1.3相敏檢波模塊.第三章 軟件設(shè)計(jì)部分.第四章 系統(tǒng)調(diào)試與測試.4.1數(shù)據(jù)記錄.4.2誤差分析第五章 參考文獻(xiàn) 第一章 緒論1.1 鎖相放大器的發(fā)展自從1962 年美國EG &G PARC(SIGNAL RECOVERY 公司的前身) 的第一臺(tái)鎖相放大器(Lock-in A

6、mplifier，簡稱LIA)問世以來，在微弱信號檢測方面顯示出優(yōu)秀的性能，在科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)了物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、地震、海洋等行業(yè)的發(fā)展。目前，微弱信號檢測技術(shù)和儀器的不斷進(jìn)步已經(jīng)在很多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，未來科學(xué)研究不僅對微弱信號檢測技術(shù)提出更高的要求，同時(shí)新的科學(xué)技術(shù)發(fā)展反過來促進(jìn)了微弱信號檢測新原理和新方法的誕生。早期的LIA 是由模擬電路實(shí)現(xiàn)的，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了模擬與數(shù)字混合的LIA，這種LIA 只是在信號輸入通道，參考信號通道和輸出通道采用了數(shù)字濾波器來抑制噪聲，或者在模擬鎖相放大器（簡稱ALIA）的基礎(chǔ)上多了一些模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）

7、、數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）和各種通用數(shù)字接口功能，可以實(shí)現(xiàn)由計(jì)機(jī)控制、監(jiān)視和顯示等輔助功能，但其核心相敏檢波器(PSD)或解調(diào)器仍是采用模擬電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，本質(zhì)上也是ALIA。直到相敏檢波器或解調(diào)器用數(shù)字信號處理的方式實(shí)現(xiàn)后，就出現(xiàn)了數(shù)字鎖相放大器（簡稱DLIA），DLIA 比ALIA 有許多突出的優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞，成為現(xiàn)在微弱信號檢測研究的熱點(diǎn)，但是大器的操作比較復(fù)雜，從而使其應(yīng)用受到了限制。目前，具有自動(dòng)掃頻DDS 的鎖相放大器從很大程度上改變了這一狀況。1.2微弱信號檢測鎖定放大器 對于幅度較小的直流信號或慢變信號，為了防止1/f 噪聲和直流放大的直流漂移（例如運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓的溫度漂移）

8、的不利影響，一般用調(diào)制器或斬波器將其變換成交流信號后，再進(jìn)行放大和處理，用帶通濾波器抑制寬帶噪聲，提高信噪比，之后再進(jìn)行解調(diào)和低通濾波，以得到放大的被測信號。要達(dá)到足夠的信噪比，用于提高信噪比的帶通濾波器必須非常窄，Q 值必須非常高，在實(shí)際中往往很難實(shí)現(xiàn)。而且Q 值太高的帶通濾波器往往不穩(wěn)定，溫度、電源電壓的波動(dòng)均會(huì)使濾波器的中心頻率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致器通頻帶不能覆蓋信號頻率，使得測量系統(tǒng)無法穩(wěn)定可靠地進(jìn)行測量。在這種情況下，利用鎖相放大器可以很好地解決上述問題。在一些特殊的場合中，ALIA 仍然發(fā)揮著DLIA 不可替代的作用。通用的鎖相放大器的操作比較復(fù)雜，從而使其應(yīng)用受到了限制。目前，具有

9、自動(dòng)掃頻DDS 的鎖相放大器從很大程度上改變了這一狀況。 鎖相放大器抑制噪聲有三個(gè)基本的出發(fā)點(diǎn)：一是用調(diào)制器將直流信號或慢變信號的頻譜遷移到調(diào)制頻率處，再進(jìn)行放大，以避開1/f 噪聲的不利影響，二是利用相敏檢測器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號的解調(diào)過程，可以同時(shí)利用頻率和相角進(jìn)行檢測，噪聲和信號同頻又同相的概率很低，三是用低通濾波器而不是利用帶通濾波器來抑制寬帶噪聲。低通濾波器的頻帶可以做得很窄，而其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性優(yōu)于帶通濾波器。鎖相放大器繼承了調(diào)制放大器使用交流放大，而不使用直流放大的原理，從而避開了1/f 噪聲，同時(shí)又用相敏檢測器實(shí)現(xiàn)解調(diào)，用穩(wěn)定性更高的低通濾波器取代帶通濾波器實(shí)現(xiàn)窄帶化

10、過程，從而使檢測的性能大為改善。近幾年來，隨著單片機(jī)技術(shù)、可編程邏輯器件(FPGA、CPLD) 及EDA 技術(shù)的飛速發(fā)展, MCU+FPGA/CPLD 最新設(shè)計(jì)理念和直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。DDS 技術(shù)把信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度提高到與基準(zhǔn)頻率相同的水平，并且可以在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的頻率調(diào)節(jié)。1.3鎖定放大器設(shè)計(jì)內(nèi)容本文基于MCU+FPGA/CPLD 設(shè)計(jì)理念，采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)參考信號的產(chǎn)生。CPLD 具有靜態(tài)可重復(fù)編程和在線動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性，硬件的功能可像軟件一樣據(jù)需要可以靈活地調(diào)用,而硬件無需改動(dòng)。采用DDS 全數(shù)字技術(shù)，由相位概念出發(fā)，存儲(chǔ)

11、多種波形的相位/幅值表，即可實(shí)現(xiàn)多路波形輸出。用C 編程得到波形的相位/幅值表。對于各種不同的波形，只需在C 程序中寫出波形的函數(shù)，把函數(shù)N 等分輸出，即可在輸出文件中得到波形的采樣點(diǎn)數(shù)為N 的相位/幅值查找表，波形采樣點(diǎn)足夠多，波形精確。本文利用單片機(jī)MCU+FPGA/CPLD 實(shí)現(xiàn)DDS 技術(shù)，產(chǎn)生整個(gè)檢測系統(tǒng)的參考信號。參考信號的產(chǎn)生靈活，可以根據(jù)被測信號的信息實(shí)時(shí)調(diào)整波形的頻率、相位、幅值等參數(shù)。對于傳感器輸出信號是直流或慢變信號的，可以通過調(diào)制放大，而對于傳感器輸出信號是調(diào)制信號或載波信號的可直接利用單片機(jī)和CPLD產(chǎn)生相頻率的相敏檢測器的參考信號。同時(shí)由于硬件的可編程性，使得整個(gè)系

12、統(tǒng)的設(shè)計(jì)修改和升級方便。整個(gè)檢測系統(tǒng)操作簡單，人機(jī)界面友好，具有很強(qiáng)的通用性。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 總體方案設(shè)計(jì)2.1.1總體設(shè)計(jì)思路信號源產(chǎn)生的信號經(jīng)過純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)衰減100倍后進(jìn)入微弱信號檢測電路，微弱信號檢測電路包括放大電路，帶通濾波電路，移相器，低通濾波器，相敏檢波電路等組成。由OP07，UA741CD,3DJ7J等芯片實(shí)現(xiàn)最后的檢測及顯示電路由MSP430的內(nèi)置AD及1602液晶顯示共同實(shí)現(xiàn)。2.1.2總體設(shè)計(jì)框圖 信號通道低通濾波器相敏檢波器帶通濾波器交流放大器信號 x(t)S(t) 參考信道r(t)方波驅(qū)動(dòng)參考信號觸發(fā)整形移相器直流放大器參考R(t)1602顯示2.1.3

13、各模塊電路設(shè)計(jì)1、交流放大與帶通濾波模塊該模塊首先用純電阻分壓模塊對被測信號進(jìn)行衰減，再連接電壓跟隨器進(jìn)行緩沖。選用兩級集成運(yùn)算放大器，選用兩片UA741CD芯片，為使輸入端在電源吸收能量的能力強(qiáng)，輸出端帶負(fù)載能力強(qiáng)，第一級電路采用串聯(lián)反饋，第二級采用電壓反饋。第一級放大10倍，第二級放大100倍。再選用選用兩片UA741CD芯片構(gòu)成RC濾波電路，RC濾波電路一般在低頻范圍內(nèi)使用，該電路模塊其帶寬、增益、品質(zhì)因數(shù)都容易調(diào)節(jié)，只要將高通濾波器電路和低通濾波器電路進(jìn)行適當(dāng)組合，即可獲得帶通濾波電路。帶通濾波器使頻帶內(nèi)的信號通過，而頻帶外的信號不通過，從而檢測到被測信號。2、移相電路模塊因?yàn)檩敵鲂盘?/p>

14、與信號的相位有關(guān)，所以必須加入移相網(wǎng)絡(luò)。移相是指兩種同頻的信號，以其中一路為參考做超前或滯后的移動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用RC移相電路。我們一般將RC與運(yùn)放聯(lián)系起來組成有源的移相電路。實(shí)際上很多有源濾波器都有移相作用，在有源濾波器中主要考慮的是電路的幅頻特性，而在移相電路中我們更看重相頻特性。3、相敏檢波電路模塊相敏檢波電路主要由信號通道，參考通道相敏檢波器構(gòu)成。信號通道把輸入的被測信號選頻放大后，輸給相敏檢波器的一端；參考通道在參考信號的觸發(fā)下，輸出相位可調(diào)的方波。相敏檢波器比較兩路信號后輸出直流信號，直流放大器經(jīng)低通濾波后進(jìn)一步放大輸出直流信號其幅度與兩路輸入信號幅度和他們的相位差成比例。相敏檢測器是

15、鎖相放大器的核心部件。相敏檢測器鑒幅又鑒相，它的輸出不但取決于輸入信號的幅度，而且取決于輸入信號與參考信號的相位差。常用的相敏檢測器有模擬乘法器式和電子開關(guān)式，實(shí)際上電子開關(guān)式相敏檢測器相當(dāng)于參考信號為方波的情況下的模擬乘法器。4、 1602顯示模塊 所謂1602是指顯示的內(nèi)容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母

16、的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。2.2理論分析與計(jì)算2.2.1交流放大與帶通濾波模塊該模塊電路分別包含分壓網(wǎng)絡(luò)、電壓跟隨器、加法器、兩級交流放大電路、帶通濾波電路等部分組成。1、 電阻分壓網(wǎng)絡(luò) 設(shè)計(jì)的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。其中R1是200千歐的固定電阻，R是200歐的滑動(dòng)電阻，R2是2歐的固定電阻。衰減倍數(shù)A=R2/(R1+R2）,根據(jù)此參數(shù)做成如圖的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的信號是S(t)。當(dāng)輸入信號為1V和1kHZ的正弦波時(shí)，就會(huì)

17、得到滿足要求的幅度有效值為10uv-1mV的S(t)。圖1.電阻分壓網(wǎng)絡(luò)I=1/(200*103+(2+R13)當(dāng)R13=100時(shí)U0=IR=1/(200*103+(2+R13)*(2+R13) =509.74uV2、電壓跟隨器作用也稱為阻抗變化器，起緩沖作用，跟隨器是一種電子線路，其輸出信號基本等同于輸入信號，但提高了帶負(fù)載能力。 電壓跟隨器，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，可以顯著增強(qiáng)對后繼的驅(qū)動(dòng)能力。 3、加法電路本電路采用同相加法電路，其原理圖見圖2。使用集成芯片UA741CD構(gòu)成一個(gè)運(yùn)放電路，其中R14=R15=R16=R17,阻值為10千歐，這樣可以實(shí)現(xiàn)S(t)與干擾信號n(t)的1:1疊合。 圖2.加法電路 4、兩級交流放大電路 使用兩級集成運(yùn)算放大器，選用兩個(gè)741.且為使輸入端在電源吸收能量的能力強(qiáng)，輸出端帶負(fù)載能力強(qiáng)，第一集電路采用串聯(lián)反饋，第二集采用電壓反饋。第一集放大10倍，第二集放大100倍。系統(tǒng)仿真圖如圖3。