锁定放大器报告

锁定放大器锁定放大器摘要：本文设计的锁定放大器输出单元电路和锁定放大器显示单元电路两大部分组成。锁定放大器输出单元电路由纯电阻分压网络、交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通放大器、直流放大器、触发整形电路、移相电路和方波驱动电路构成。锁定放大器显示单元电路由有效值检测电路、A/D转换模块、单片机和OLED显示模块组成。本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过整形移相后，通过比较器产生方波去驱动二选一模拟开关74HC4053，通过低通滤波器输出直流信号并通过直流放大器进行放大，该直流信号经过有效值检测电路后送入A/D转换模块。单片机负责读取A/D转换的数据，并显示在OLED上。经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。关键词：锁定放大器；相敏检波；移相；带通滤波器；低通滤波器；A/D转换11系统方案1.1方案论证与比较1.1.1纯电阻分压网络方案一：采用电阻串联分压，电路简单。方案二：采用型网络，型网络性能较好，适合在高频的条件下工作本题目要求的电压范围较小，故采用简单电路串联来作为分压网络既可以达到要求。1.1.2移相电路设计方案一：采用全通滤波器模拟移相电路，一阶全通滤波器的移相范围接近180度，正好可以满足本系统的指标要求。方案二：采用数字移相方法，数字移相可以在4个象限内进行0～89°的调节，合起来即实现了0～360°的移相，由集成芯片控制频率和相位预值，如用CD4046锁相环组成。方案一与方案二相比，电路简单可靠，且方案二增加了电路的复杂度，成本也很高，故选择方案一。1.2总体方案论述综上所述，本系统总体框图如图1所示，系统由锁定放大器输出单元电路和锁定放大器显示单元电路两大部分组成。锁定放大器输出单元电路由纯电阻分压网络、交流放大器、带通放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通放大器、直流放大器、触发整形电路、移相电路和方波驱动电路构成。锁定放大器显示单元电路由有效值检测电路、A/D转换模块、单片机和OLED显示模块组成。锁定放大器显示单元电路锁定放大器输出单元电路输出信号通道参考通道交流放大器带通放大器相敏检波器触发整形移相电路方波驱动直流放大器低通放大器A/D转换模块纯电阻分压网络信号源S(t)R(t)r(t)X(t)单片机OLED显示模块有效值检测电路图1系统总体框图2理论分析与计算22.1锁定放大器输出单元电路该单元电路利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、同相的噪声分量有响应，因此它能大幅度抑制噪声信号，提取出有用信号。一般锁相放大器具有极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益可达220dB，能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声能力。它和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。2.2相敏检波器分析相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器，本设计采用开关式乘法器。相敏检波器（PSD）的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波，当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大。其中图2为相敏检波器的基本框图。图2PSD基本框图工作过程如下：设输入信号为0()cos()sxtVt。参考输入()rt时幅度为rV的方波，其周期为T，角频率为02/T，根据傅里叶分析的方法，这种周期性函数可以展开为傅里叶级数00011()cossinmmmmrtaamtbt可得()rt的傅里叶级数表示式为1014(1)()cos[(21)]21nrnVrtntn11001122(1)(1)()()()cos[(22)]cos(2)2121nnsrsrpnnVVVVutxtrtntntnng上式右边第一项为差频项，第二项为和频项。经过LPF的滤波作用，1n的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩1n的差频项为32()cossrpVVut当方波幅度1rV时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当()rt为1时，电子开关的输出连接到()xt；当()rt为1时，电子开关的输出连接到()xt，这时LPF的输出为2()cossoVut当经过开关乘法器，角度之差为0时，输出信号最大。3电路与程序设计3.1电路设计3.1.1穿电阻分压网络分压采用直接电阻分压即可获得1/1000倍以上的分压，为了获得较好的分压结果，R1、R2均采用精密电阻，并且为了保证分压出来的微弱信号不受前后级电路的影响，加入电压跟随其电路，具体电路如图3所示。图3纯电阻分网络3.1.2交流放大器为了使微弱检测电路的输入阻抗1MHz，所以它的第一级为同相放大电路，则它的输入阻抗至少大于1MHz，采用两片INA118作为运放放大10000倍，INA118的放大倍数501KGBRG，所以第一级放大100倍，第二级放大100倍，选择电阻RG分别为500Ω；INA128外围电路简单，输入阻抗高，并且有效抑制共模干扰，具体电路如图4所示。4图4交流放大电路3.1.3带通滤波器将低通滤波器与高通滤波器串联，就可以得到带通滤波器，因为要求输入信号的频率范围900Hz~1.1KHz，所以带通滤波器的通带必须包含这个频率范围，带入参数可得带通滤波器电路，具体电路如图5所示。图5带通滤波器3.1.4移相电路移相是指两种同频的信号，以其中一路为参考，另一路相对于该参考做超前或滞后的移动，即称为相位的移动。图5移相电路由方案论证得，本设计采用模拟移相电路。模拟移相电路其实就是一个全通滤波电路，它的放大倍数Au=（-1+jwRC）/(1+jwRC)，写成模和相角的形式为：5|Au|=1,φ=180°-2arctan（f/f0），其中f0=1/（2πRC），滤波器相移范围均接近180°，移相电路如图5所示。3.1.5方波产生电路方波产生电路，主要用的是电压比较器的工作原理，具体电路如图6所示。图6方波产生电路3.1.6相敏检波器相敏检波器首先将输入信号同相和反相跟随器，输入到二选一模拟开关74HC4053，具体电路为图7。图7相敏检测电路3.1.7低通滤波器74HC4053的输出最后经过由OP07构成的通滤波器，能够达到滤波的效果，具体电路如图8所示。6图8低通滤波器3.1.8直流放大器由交流放大器输出的信号，经过直流放大器电路放大后，能得到较好的效果，如图9所示。图9直流放大器3.1.9直流放大器该电路能很好的将交流信号变成直流信号，具体电路如图9所示。7图10有效值检测电路3.2程序设计本设计MCU采用STC单片机STC89C52，A/D模块采用TLC2543,显示采用OLED。MCU将TLC2543采集到的数据送入单片机进行处理，并将结果实时显示在OLED上。系统软件程序流程图如图11所示。开始初始化单片机和OLED初始化单片机和OLEDEOC是否为高电平？YN将CLOCK和CS置低电平获取A/D转换数据将CS置高电平转换数据进行处理并显示在OLED图11系统软件流程图4测试方案与测试结果4.1测试仪器任意波形发生器模拟示波器万用表直流电源4.2测试结果4.2.1信号通道的输出波形信号通道的输出波形如图12所示，其中蓝色信号：X(t)为信号通道的输出波形；黄色信号：信号源信号。8图12信号通道输出波形4.2.2参考通道的输入波形和输出波形的移相参考通道的波形如图13所示，可以很明显的看到方波信号与正弦信号的相位差。其中蓝色信号：R(t)为参考信号；黄色信号：r(t)方波信号。图13参考通道波形4.2.3相敏检波器的输出波形相敏检波器的波形如图14所示，黄色信号为相敏检波器的输出波形，蓝色为相敏检波器的输入的正弦信号X(t)。从图形来看，该相敏检波器的效果是很好的。图14相敏检波器的输出波形4.3测试结果及分析由上述测试数据可得，本系统能较好地完成各项指标，当正弦信号频率为91K时，输入信号幅度在5VPP能很好地显示出来，误差在10%范围内，在100uvpp-1mvpp时，电路误差变大。可能是由于各级加法，放大器的线性误差及零飘，AD采样的非线性误差等导致的。5总结本系统能够很好地完成各项基本指标，系统电路中相敏检波器能够工作在信号频率缓慢变化时有效检测出有用信号。由于时间仓促，未能进一步完善改进系统，不过这三天依然学到了很多东西，我们付出了很多，也收获了很多。