锁相放大器设计 - 全文

　　锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。这篇文章主要就是和大家一起来了解一下锁相放大器的设计。

　　本设计对于检测微弱信号的锁存放大器进行论述，锁定放大器主要包括交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器及液晶显示等几个部分。其中，交流放大器以INA128为主要构成部件，实现交流信号的放大从而作为带通滤波器的输入；带通滤波器用UAF42构成，实现对900Hz到1100Hz频带范围的滤波过程，其误差小于20%；相敏检波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信号在输入低通滤波器经直流放大器放大后输入显示电路，显示出被测信号的幅度及有效值。

　　另外，在相敏检波器部分的方波驱动信号由参考信道的参考信号经触发整形、移相、比较而来。同时，为了更好的检测出锁定放大器的性能，在信号的输入端增加加法器电路，实现被测信号与干扰信号的1:1叠加，当干扰信号的频率为1050Hz—2100Hz时，输出端的测量误差小于10%。锁定放大器在实际应用中用途广泛，尤其对于微弱信号检测方向站着主导地位，随着科技的发展已渐渐的融入人类的生活之中，拥有很好的发展前景。

　　一、锁相放大器设计方案论述

　　对于幅度较小的直流信号或满编信号，为了防止1/f噪声和直流放大的直流漂移（例如运算放大器输入失调电压的温度漂移）的不利影响，一般都使用调制器或斩波器将其变换成交流信号后，在进行放大和处理，用带通滤波器抑制宽带噪声，提高信噪比，之后再进行解调和低通滤波，以得到放大了的被测信号。对于微弱的直流和慢变信号，调制后的正弦信号也必然微弱。

　　要达到足够的信噪比，用于提高信噪比的带通滤波器的带宽必须非常窄，Q值必须非常高，这在实际上往往很难实现。而且Q值太高的带通滤波器往往不稳定，温度、电源电压的波动均会是滤波器的中心频率发生变化，从而导致其通频带不能覆盖信号频率，使得测量系统无法稳定可靠地进行测量。在这种情况下，利用锁定放大器可以很好地解决上述问题。

　　本设计为制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器。首先，交流放大器部分采用INA128作为主要部件，将信号放大后输入带通滤波器，带通滤波器由UAF42构成，可以实现950Hz到1050Hz频带范围的滤波过程，其误差小于10%；然后，带通滤波后的信号和同频同相的方波参考信号送入乘法器，乘法器采用MPY634；再者，乘法器输出的信号送入低通滤波器，再经直流放大器放大后，由显示电路显示出被测信号的幅度有效值。

　　另外，在相敏检波器部分的方波驱动信号由参考信道的参考信号经触发整形、移相、比较而来。同时，为了更好的检测出锁定放大器的性能，在信号的输入端增加加法器电路，实现被测信号与干扰信号的1:1叠加，当干扰信号的频率为1050Hz—2100Hz时，输出端的测量误差小于10%。

　　锁定放大器的流程框图

　　锁定放大器的流程框图如图1.1所示，主要由交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器、触发整形、移相器及方波驱动等模块构成。

　　

　　锁相放大器设计总体电路图

　　

　　

　　二、各部分指标的分析与计算

　　2.1、交流放大器

　　交流放大器部分采用INA128三级同相放大电路放大。根据公式GB=1+50K/R，第一级放大16倍，第二级放大为26倍，第三级放大为26倍，三级相乘最终的放大倍数可达10816倍，满足设计要求；由此每一级的电阻选择分别为3.3K、2K、2K。INA128的外围电路简单，输入阻抗高，同时能有效的抑制共模干扰，其电路图如图2.1所示。

　　

　　图2.1交流放大器电路

　　2.2 、带通滤波器

　　带通滤波器部分的核心部件为UAF42芯片。UAF42是一款通用有源滤波器，可配置为低通、高通、带通滤波器。它使用了一种经典的状态可调的模拟结构，通过一个反向放大器和两个积分器。积分器包含上1nF电容。这种结构解决了有源滤波器设计的一个重要的难题——获得紧密对准公差、低损耗电容。它是一种单片集成电路，其中包含了运算放大器、匹配电阻和状态可调双极滤波极对所需的精密电容，以及四个独立的精密运放。对于带通滤波器的设计，采用Filter42软件计算出外围电阻RF1=RF2=158K，达到中心频率为1000Hz，频带范围为950Hz—1050Hz的滤波要求。其电路如图2.2所示

　　

　　图2.2带通滤波器电路

　　2.3、相敏检波器

　　相敏检波器主要部件为MPY634，其电路如图2.3所示。

　　

　　图2.3相敏检波器电路

　　2.4、低通滤波器

　　低通滤波器同样采用UAF42构成，其外围电阻分别为44K、470K。电路图如图2.4所示。

　　

　　图2.4低通滤波器电路

　　2.5、直流放大器

　　直流放大器电路如下图2.5所示。

　　

　　图2.5直流放大器电路

　　2.6、显示部分

　　单片机最小系统设计。本设计电流源通过键盘模块输入给定的电流值传送给单片机，单片机在接收到信号后进行处理运算，并显示其给定的电流值，然后经过D/A转换以输出电压，驱动恒流源电路实现电流输出，并将采样电阻上的电压经过A/D转换输入单片机系统，通过补偿算法进行数值补偿处理，调整电流输出并驱动显示器当前的电流值。最小系统核心为MSP430，将单片机的引脚用接口引出，电路图如图2.6中单片机最小系统模块所示。

　　

　　图2.6单片机最小系统

　　A/D转换器选用具有16位分辨率高精度模数转换器ADS1115。ADS1115具有一个板上基准和振荡器，数据通过一个I2C兼容型串行接口进行传输，可以选择4个I2C从地址。如图2.7所示电路中，ADS1115的SDA与单片机P1.2口相接，SCL与单片机P1.3口相接。上接上拉电阻通过编程模拟ADS1115的通信时序实现对ADS1115的操作。

　　

　　液晶显示电路设计如图2.8所示

　　

　　2.7、参考通道部分

　　参考通道部分采用LM324及外围电阻搭建而成，整个通道分为触发整形、移相、方波驱动三个部分。其电路图如图2.9所示。

　　

　　2.8、自制电源设计

　　本设计共用到电源有2种：即±15V 、 +5V 。电源原理：稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路组成，整流作用是将交流电压变换成脉动电压。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压输出。图2.10所示的电源电路图由L7815和L7915组成，输出±15V电压给压控恒流电路中的OP07等器件供电。图2.11所示为+5V电源电路。

　　

　　三、软件设计

　　3.1 软件流程设计

　　软件流程图如图3.1所示

　　

　　四、测试结果与数据分析

　　4.1测试仪器

　　为了确定系统与题目要求的符合程度，对系统中的关键部分进行了实际测试。使用仪器设备见表4—1。

　　4.2各部分电路测试结果

　　1）锁定放大器的设定要求与测试结果如下：

　　（1）外接信号源提供频率为1kHz的正弦波信号，幅度自定，输入至参考信号R（t）端。R（t）通过自制电阻分压网络降压接至被测信号S（t）端，S（t）端幅度有效值为 10μV~1mV。

　　结果：外接信号源的频率为1kHz的正弦波信号，幅度0.25v，通过分压网络470倍，S（t）端幅度有效值为 0.5mV，满足设计要求。

　　（2）参考通道的输出r（t）为方波信号，r（t）的相位相对参考信号R（t）可连续或步进移相180度，步进间距小于10度。

　　结果：参考通道输出r（t）为方波信号，r（t）的相位相对参考信号R（t）可实现连续或步进移相180度，步进间距小于10度，满足设计要求。

　　（3）信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。误差小于20%。 结果：带通滤波器的中心频率为1000 Hz，信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz，满足设计要求。

　　（4）在锁定放大器输出端，设计一个能测量并显示被测信号S（t）幅度有效值的电路。所测量的显示值与S（t）有效值的误差小于10%。

　　结果：所设计的锁定放大器的输出端能测量被测信号S（t）幅度的有效值，所测量的显示值与S（t）有效值的误差为9%，满足设计要求。

　　（5）在锁定放大器信号S（t）输入端增加一个运放构成的加法器电路，实现S（t）与干扰信号n（t）的1:1叠加。

　　结果：锁定放大器信号S（t）输入端的加法器电路可以实现S（t）与干扰信号n（t）的1:1叠加，满足设计要求。

　　（6）用另一信号源产生一个频率为1050~2100Hz的正弦波信号作为n（t）

　　将其叠加在锁定放大器的输入端，信号幅度等于S（t）。n（t）亦可由与获得S（t）同样结构的电阻分压网络得到。锁定放大器应尽量降低n（t）对S（t）信号有效值测量的影响，测量误差小于10%。结果：测量误差在15%。未能达到设计要求。（7）增加n（t）幅度，使之等于10S（t），锁定放大器对S（t）信号有效值的测量误差小于10%。

　　结果：测量误差在22%。未能达到设计要求。

　　2）测试结果分析未能完全满足设计要求（6）和（7）。主要原因之一是，参考方波信号和带通滤波器输出信号的相位存在一定误差；主要原因之二是，由于整体电路没有采用屏蔽线，再加上所使用的仪器精度不够不可避免地引入噪声。

　　五、总结

　　本设计对于检测微弱信号的锁存放大器进行论述，锁定放大器主要包括交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器及液晶显示等几个部分。锁定放大器在实际应用中用途广泛，尤其对于微弱信号检测方向站着主导地位，随着科技的发展已渐渐的融入人类的生活之中，拥有很好的发展前景。

　　在本次设计的过程中，遇到了许多困难，开始设计进度比较慢，但通过仔细的分析和进行多方面的调整后解决了问题，从中我们对电子专业知识与技能得到了更多的理解与提高。比赛中三个人分工明确，积极配合，最终完成了设计，这使我们深刻地体会到了共同协作和团队精神的重要性。总之，这次比赛对我们每个人都影响非常深刻。