锁相放大器的设计

锁相放大器的设计【摘要】本系统以超低功耗MSP430G2553作为处理核心，用OPA244、OPA2237、LM324N、LM3119等实现对微弱信号的检测。该电路由信号调理模块、移相器模块、相敏检波器和数码管四个模块组成。信号调理模块包括加法器，交流放大器，四阶带通滤波器，信号调理电路子模块，其具有微弱信号放大和调理、抑制干扰和噪声的作用。移相器模块由多个比较器，积分器组成，实现与被测信号的同步，产生可180°移相的方波传输给MCU，由数码管显示被测信号的幅度。【关键词】微弱信号;移相器;msp430;相敏检波器1.锁相放大器设计原理根据相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数f1（t）和f2（t）的相关函数定义为：它是度量一个随机过程在时间t和两时刻线性相关的统计参数，如果f1（t）和f2（t）完全没有关系，则相关函数将是一个常数。下面我们设有两个信号x（t）、y（t）为：其中n1（t）、n2（t）为噪声，Vs（t）为待测信号，Vr（t）为参考信号。则相关函数为：展开得：因为信号和噪声不相关，且噪声的平均值为零，所以都为零。故：这样我们可以看到，两个信号经过相乘和积分处理后就可以把噪声抑制，锁相放大器的核心就是根据这个原理设计的。2.设计方案的论证如图1所示，该方案将数字脉冲电位器用模拟移相器取代，其中移相器是由多个小模块依次作为输入产生不同的波形，最终实现将正弦信号调整为相位不同的方波信号。且该处采用模拟器件容易实现，便于分级检测输出的波形，及时对硬件电路进行修正和改进。图13.硬软件设计3.1硬件的总体设计通过理论分析，该系统主要由由三部分组成，即：信号通道，参考通道和其他相关器。加法器将被测信号S（t）和噪声信号n（t）以1：1叠加后通过电阻分压网络将叠加后的信号进行衰减。信号通道由放大器和带通滤波器组成，其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器的工作电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器动态范围的性能;参考通道由触发整形和移相器组成，其作用是产生与被测信号同步的对称方波，再由方波驱动给相关器;相关器由数字相敏检波器组成，是锁定放大的核心部件，具有动态范围大、漂移小、时间常数可调等性能。最后由LCD显示被测信号的幅度。系统的整体框图设计如图2所示。图23.2功能模块（1）加法器①实现噪声与信号的1：1叠加的原理（如图3所示）图3实现噪声与信号的1：1叠加的原理框图参数的计算：为了使运放两个输入端的电阻对称平衡，要求R1//R3=R2//R4，输出电压的表示式为U0=（1+R3/R1）（K1U1+K2U2），其中K1=R4/（R2+R4），K2=R2/（R2+R4）。②调理电路由于带通滤波器输出的信号为双极性的，而AD采样的值必须是大于零的，通过调理电路将带通滤波器输出的信号和直流分量叠加使之成为单极性波。（2）纯电阻分压网络经过加法电路后，输出的电压经过电阻分压后输出，通过调节R5/R6的比值来控制纯电阻网络的衰减系数。（3）交流放大器a.原理：同相比例放大电路的输入信号是从集成运放的同相输入端引入，输出信号按比例放大，并与输入信号同相。电压放大倍数为。b.交流放大器的实现：通过该公式：实现交流放大器的两级放大，一级放大为40倍（该倍数可调节至100倍左右，且保证不失真），二级放大为25倍（该倍数可调节至100倍左右，且保证不失真），因此该二阶放大器的放大倍数为40*25=1000倍。（4）四阶带通滤波器FilterPro软件的使用：运算放大器的一类应用就是做有源滤波器，只需要输入想要得到的滤波器参数，TI会帮助计算外围电路中繁多的R，C值。该四阶带通滤波器就是根据软件设计的滤波器，其幅频特性曲线如图4所示：图4四阶带通滤波器的幅频特性（5）模拟移相器模拟移相器的电路模块如图5所示。输入1KHz的正弦信号，经过零比较器（LM324），输出占空比为50%的方波，经过一级的积分器和迟滞比较器，输出占空比可调的方波，再经过一级的积分器，迟滞比较器和二极管输出大于零的方波，最后将该方波作为时钟信号输送给MCU内部的A/D。图5模拟移相器电路图（6）数码管显示采用数码管显示，其亮度高、体积小，编程较容易，资源占用较少。直接显示幅度值。3.3软件设计该系统主要部分应用模拟电路实现，只有相敏检波器应用数字电路实现，因此，该处只对该相敏检波器进行说明。相敏检波器原理：给单片机内部输入一个幅度为1，频率为1KHz的正弦信号。在方波的下降沿来临时，开始对该信号进行等间隔采样，且每周期采6个点，若采118个点，则需采样20个周期。两次所采的点对应相乘，由Sn?=（SnSinx）?+（Sncosx）?可求得信号的幅度。4.四阶带通滤波器测试的数据与分析频率/Hz增益8500.589000.739500.9210000.99310500.86911000.6712000.4212500.36结果分析：由表格中数据分析可知，信号通道的3dB频带范围为900Hz-1100Hz时，误差小。5.总结本系统属于精细测量仪器，其硬件电路，尤其是模拟部分电路的设计十分关键。特别是前端微弱信号相关的电路，需要仔细处理各种细节问题。另外电路设计上运放电源端应该加去耦电容去除电源纹波的影响。在软件设计的时候，难点不是在于各个模块功能的实现，而是最终的组合。软件设计的过程中至关重要的是，注意信号的同步。参考文献[1]高晋占编著.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2004.[2]扬拴科主编.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2003.[3]高西全，丁玉美编著.数字信号处理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.[4]http：//路彤辉（1996—），大学本科，现就读于西安石油大学电子工程学院自动化专业，参加了2014年陕西省电子设计大赛，并参与了陕西省创新创业项目与学校创新训练项目。靳钊钊（1995—），大学本科，现就读于西安石油大学电子工程学院自动化专业，参加了2014年陕西省电子设计大赛，并参与了陕西省创新创业项目与学校创新训练项目。樊远（1994—），大学本科，现就读于西安石油大学电子工程学院自动化专业，参加了2014年陕西省电子设计大赛，并参与了陕西省创新创业项目与学校创新训练项目。郭文旭（1993—），大学本科，现就读于西安石油大学电子工程学院自动化专业，参加了2014年陕西省电子设计大赛，并参与了陕西省创新创业项目与学校创新训练项目。