锁定放大器的设计最终

第1页/共27页2014年天津市大学生电子设计大赛【本科组】锁定放大器的设计报告第2页/共27页摘要锁定放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它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（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁定放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。本次设计是基于锁定放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。该次设计是由加法器、纯电阻分压网络、参考信号输入电路、微弱信号检测电路和显示电路组成。其中微弱信号检测电路由前置放大、带通滤波、鉴相器、移相器、比较器、低通滤波、放大器构成。同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，使信号淹没在噪声中，然后经过衰减器衰减100倍以上，送到微弱信号检测电路中。微弱信号检测以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相电路和比较器输出方波驱动开关管乘法器，输出直流信号经单片机ADC转换，最终在液晶显示屏上显示出来。关键字：锁定放大器；微弱信号检测；相敏检测第3页/共27页目录摘要..............................................................................................................................................21系统方案设计...............................................................................................................................31.1方案选择与论证................................................................................................................31.2设计思路与原理框图........................................................................................................42锁定放大器硬件设计...................................................................................................................52.2加法器的设计....................................................................................................................52.3交流放大器的设计...........................................................................................................72.4带通滤波器的设计............................................................................................................82.5移相器的设计.................................................................................................................102.6方波驱动电路的设计.....................................................................................................132.6相敏检波器的设计.........................................................................................................142.7低通滤波器的设计.........................................................................................................172.8直流放大器的设计.........................................................................................................182.9显示模块设计.................................................................................................................193锁定放大器软件设计.................................................................................................................214系统统调结果.............................................................................................................................234.1测试仪器.........................................................................................................................234.2测试方案..........................................................................................................................23附录1：电路原理图......................................................................................................................24附录2:元器件清单........................................................................................................................26附录3：参考文献..........................................................................................................................261系统方案设计1.1方案选择与论证常用的微弱信号的检测方法有：直接滤波，积分取样，锁相放大等。方案1：直接滤波由于检测的微弱信号混在噪声之中，如果直接使用滤波的方法，因为噪声肯定含有和被测信号相同的频率，所以容易导致被测信号衰弱或者滤掉的结果，当检测的微弱信号混在噪声中时,噪声含有和被测信号相同的频率，如果直接使用滤波的方法，容易导致被测信号衰弱或者滤掉，从而无法进行正常的检测。所以，直接滤波的检测方法实际效果不甚理想，不宜采用。方案2：取样积分取样积分是利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，因为信号提取是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可以很好的提高信噪比，被噪声淹没的信号波形可以很好的显现出来。但是取样积分器测一个波形需要花很长的时间，时间效率低。另外它要求信号必须与触发脉冲同步。综上所述，此法要求较多，实现起来第4页/共27页比较复杂，故不采用此法。方案3：锁相放大锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它有三个特点：1、用调制器将直流或渐变信号调制，进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；2、利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；3、利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。本次设计采用此法。1.2设计思路与原理框图微弱信号检测是一门新兴的技术学科。它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的有用的微弱信号。本设计采用模拟方法实现微弱信号的检测。通过加法器将被测的微弱正弦信号和噪声相叠加，模拟出微弱信号被淹没在噪声的现象，进而进行微弱信号的检测。通过分压电阻网络减小噪声幅值，有利于后续电路的处理。接着通过微弱信号检测电路，通过处理最后输出直流量并进入到单片机进行处理。通过芯片内部的A/D转换模块，同时编写显示程序，最终将被测微弱信号显示到LCD显示屏上。锁定放大器基本组成结构框图如下图1：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显示触发整形移相器方波驱动x（t）输出s（t）信号信号通道r（t）图1-1锁定放大器基本组成框图第5页/共27页2锁定放大器硬件设计2.1电阻分压模块电阻分压网络有串联分压和型网络，型网络性能较好，适合在高频的条件下工作，而本题目要求的电压范围较小，故本设计采用电阻串联来作为分压网络。由于需要进行精确的进行分压，普通电阻阻值误差较大，大约为5%，精密电阻的误差仅仅为0.01%，因此采用精密电阻和电位器接成电阻分压网络，确保精确的分压系数。图2-1纯电阻分压网络电阻采用无感电阻，是为了防止电阻的产生的高斯白噪声对后级电路产生影响。纯电阻分压网络衰减系数A，A=(Rv14+R21)/R21。测试后电阻Rv2=200K,Rv3=2K，A=1012.2加法器的设计2.2.1加法器电路设计本设计加法器由INA2134搭建设计电路图如图3：第6页/共27页图2-2加法器电路2.2.2加法器的测试结果经过测试得：A：噪声源输出V的有效值输出为:1.02VB：加法器的波形：无明显失真；带宽：3dBC：参考信号的衰减系数：102D：参考信号的输入阻抗：2.9MΩVn(t):VS(t)=1:1叠加，测试结果见表1：输入信号参考信号输出信号幅度/V频率/KHZ幅度/V频率/KHZ幅度/V误差%10uV1.2KHZ10uV1KHZ19.8uV1%100uV1.5KHZ100uV1KHZ200.6uV3%1mV1.8KHZ1mV1KHZ2.04mV2%表1加法器测试结果Vn(t):VS(t)=1:10叠加测试结果见表2:输入信号参考信号输出信号幅度/V频率/KHZ幅度/V频率/KHZ幅度/V误差%100uV1.2KHZ10uV1KHZ111.5uV13.6%1mV1.5KHZ100uV1KHZ1.08mV18.2%10mV1.8KHZ1mV1KHZ11.06mV5.4%第7页/共27页表2加法器测试结果2.3交流放大器的设计2.3.1交流放大器的方案设计方案一：使用可编程运放PGA202,PGA203通过增益的不同组合实现对输入信号范围1uV～100mV的选择性放大，但是编程比较复杂。方案二：使用常用运放INA218通过开关控制实现放大倍数为10，1000,100