锁相放大器检测正弦波电路设计和分析

　　锁相放大器是一种用于测量动态信号的电子仪器。它的主要组成部分有振荡器，混频器和低通滤波器。它的最基本，也是最常用的功能是从被噪声淹没的信号中测出某一频率的信号的相位和幅值。它之所以具备这样的能力是运用了正交性原理，将非选定频率的信号（即噪声）去除而选定频率的信息得以保留。因为具有很强的抗噪声能力，锁相放大器被广泛应用于各种高精测量系统中，比如MEMS研究。

　　基本原理

　　锁相放大器实际上是一个模拟的傅立1Hz和1.1Hz两正弦信号相乘的结果叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于输入信号中某一特定频率（参数输入频率）的信号幅值。而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。

　　两个正弦信号，频率都为1Hz，0度相位差，用乘法器相乘得到的结果是一个有直流偏量的正弦信号。

　　如果是一个1Hz和一个1.1Hz的信号相乘，用乘法器相乘得到的结果是轮廓为正弦的调制信号，直流偏量为0。只有与参考信号频率完全一致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏量，其他信号在输出端都是交流信号。

　　如果在乘法器的输出端加一个低通滤波器，那么所有的交流信号分量全部被滤掉，剩下的直流分量就只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值

　　前置放大电路

　　红外信号检测的前置低噪声放大滤波电路如图（2）。OPA27是一种低噪声精密集成运算放大器，具有共模抑制能力和电源噪声抑制能力强以及高稳定、低失调、超低噪声等特点。红外传感器输出的微弱电信号经耦合电容C（滤除直流电压）加之OPA27的同相输入端经低噪声放大及滤波后输出。为达到高性能电阻应选用金属膜电阻器，电容应选用云母电容器。

　　

　　其截止频率约为170HZ。为防止因噪声过大而使后级PSD过载这里其放大倍数增益设计为可调11—100倍。

　　

　　图（2）前置低噪声滤波放大电路

　　参考频率产生电路

　　由于红外传感器输出为频率固定的60HZ的方波，可选用555时基电路构成方波发生器产生频率为方波，作为参考信号的输入。其电路如图（3） 输出高电平时间tH和低电平时间tL的计算方法如下： tH= 0.693（RA+ RB）C

　　

　　

　　图（3）参考信号产生电路

　　经计算这里选取C=1uF，RA=0.1K，RB=12K.其输出频率为 f=1/（0.693*（RA+2RB）*C）=60HZ

　　锁相电路

　　相环CD4046为数字锁相环（PLL）芯片，内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。它具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点，其工作频率达1MHz，内部VCO 产生50% 占空比的方波。锁相环CD4046的一个重要功能是：内部压迫、控振荡器的输出信号从第4脚输出后引至第3脚输入，与从第14脚输入的外部基准频率信号和相位的比较。当两者频率相同时同，压控振荡器的频率能自动调整，直到与基准频率相同。

　 相敏检波器

　　采用AD630组成电子开关式相敏检测器。其电路组成如图（5）。参考方波信号有CD4046产生，待测信号有引脚1输入，参考方波信号有锁相环CD4046实现，经相关运算后有13引脚输出。

　　低通滤波电路

　　相敏检测输出经低通滤波器得到所需直流信号，再经直流放大调整是输出满足系统增益要求。其电路如图（6）。相敏检测的输出信号经U1A实现低通窄带滤波及放大，滤除和频交流分量得到直流输出，其直流放大倍数为11，截止频率

　　

　　而后经电容C2平滑使其输出稳定的直流信号经可调增益放大器U2A做进一步后续处理。其总的增益调节范围为11~220。

　　

　　图（4）参考信号锁定输出电路

　　

　　图（5）相敏检波电路

　　

　　图（6）低通滤波及直流放大电路

　　总体性能估计

　　系统总体电路原理图见附录。此电路做到其输出增益可调（1100—20000倍放大），动态范围大，测量灵敏度高能将几十微伏的微弱信号进行精确提取放大。此电路针对特定频率的传感器信号（即输出60HZ）进行设计，故其频率特性不满足的传感器信号无效。因为IC锁相环CD4046具有自动捕捉输入信号频率的功能，故为改善其测量使用范围可将CD4046的输入端接至前置放大器的输出端使其自动跟踪所测信号频率，实现输入可调放大，此时。在这种情况下当噪声比较严重时其输出性能可能会有所下降。