鎖定放大器報(bào)告

1、 鎖定放大器 鎖定放大器摘要：本文設(shè)計(jì)的鎖定放大器輸出單元電路和鎖定放大器顯示單元電路兩大部分組成。鎖定放大器輸出單元電路由純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、交流放大器、帶通濾波器、相敏檢波器、低通放大器、直流放大器、觸發(fā)整形電路、移相電路和方波驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。鎖定放大器顯示單元電路由有效值檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)和OLED顯示模塊組成。 本系統(tǒng)是以相敏檢波器為核心，將參考信號(hào)經(jīng)過整形移相后，通過比較器產(chǎn)生方波去驅(qū)動(dòng)二選一模擬開關(guān)74HC4053，通過低通濾波器輸出直流信號(hào)并通過直流放大器進(jìn)行放大，該直流信號(hào)經(jīng)過有效值檢測(cè)電路后送入A/D轉(zhuǎn)換模塊。單片機(jī)負(fù)責(zé)讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，并顯示在OLED上。經(jīng)最終

2、的測(cè)試，本系統(tǒng)能較好地完成微小信號(hào)的檢測(cè)。 關(guān)鍵詞：鎖定放大器；相敏檢波；移相；帶通濾波器；低通濾波器；A/D轉(zhuǎn)換1系統(tǒng)方案1.1方案論證與比較1.1.1 純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)方案一：采用電阻串聯(lián)分壓，電路簡(jiǎn)單。 方案二：采用型網(wǎng)絡(luò)，型網(wǎng)絡(luò)性能較好，適合在高頻的條件下工作本題目要求的電壓范圍較小，故采用簡(jiǎn)單電路串聯(lián)來作為分壓網(wǎng)絡(luò)既可以達(dá)到要求。1.1.2移相電路設(shè)計(jì)方案一：采用全通濾波器模擬移相電路，一階全通濾波器的移相范圍接近180度，正好可以滿足本系統(tǒng)的指標(biāo)要求。方案二：采用數(shù)字移相方法，數(shù)字移相可以在4個(gè)象限內(nèi)進(jìn)行089°的調(diào)節(jié)，合起來即實(shí)現(xiàn)了0360°的移相，由集成芯片控

3、制頻率和相位預(yù)值，如用CD4046鎖相環(huán)組成。方案一與方案二相比，電路簡(jiǎn)單可靠，且方案二增加了電路的復(fù)雜度，成本也很高，故選擇方案一。1.2總體方案論述綜上所述，本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由鎖定放大器輸出單元電路和鎖定放大器顯示單元電路兩大部分組成。鎖定放大器輸出單元電路由純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、交流放大器、帶通放大器、帶通濾波器、相敏檢波器、低通放大器、直流放大器、觸發(fā)整形電路、移相電路和方波驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。鎖定放大器顯示單元電路由有效值檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)和OLED顯示模塊組成。 圖1 系統(tǒng)總體框圖2 理論分析與計(jì)算2.1 鎖定放大器輸出單元電路該單元電路利用和被測(cè)信號(hào)有相同頻率和相

4、位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻、同相的噪聲分量有響應(yīng)，因此它能大幅度抑制噪聲信號(hào)，提取出有用信號(hào)。一般鎖相放大器具有極高的放大倍數(shù)，若有輔助前置放大器，增益可達(dá)220dB，能檢測(cè)極微弱信號(hào)交流輸入、直流輸出，其直流輸出電壓正比于輸入信號(hào)幅度及被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相位差。由此可見，鎖相放大器具有極強(qiáng)的抗噪聲能力。它和一般的帶通放大器不同，輸出信號(hào)并不是輸入信號(hào)的放大，而是把交流信號(hào)放大并變成相應(yīng)的直流信號(hào)。2.2 相敏檢波器分析 相敏檢波器分為模擬乘法器和開關(guān)式乘法器，本設(shè)計(jì)采用開關(guān)式乘法器。相敏檢波器（PSD）的本質(zhì)其實(shí)就是對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間的相位進(jìn)行檢波，當(dāng)兩個(gè)

5、信號(hào)同頻同相時(shí)，這時(shí)相敏檢波器相當(dāng)于全波整流，檢波的輸出最大。其中圖2為相敏檢波器的基本框圖。圖2 PSD基本框圖工作過程如下：設(shè)輸入信號(hào)為。參考輸入時(shí)幅度為的方波，其周期為，角頻率為，根據(jù)傅里葉分析的方法，這種周期性函數(shù)可以展開為傅里葉級(jí)數(shù)可得的傅里葉級(jí)數(shù)表示式為上式右邊第一項(xiàng)為差頻項(xiàng)，第二項(xiàng)為和頻項(xiàng)。經(jīng)過LPF的濾波作用，的差頻項(xiàng)及所有的和頻項(xiàng)均被濾除，只剩的差頻項(xiàng)為當(dāng)方波幅度時(shí)，可以利用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)方波信號(hào)的相乘過程，即當(dāng)為時(shí)，電子開關(guān)的輸出連接到；當(dāng)為時(shí)，電子開關(guān)的輸出連接到，這時(shí)LPF的輸出為當(dāng)經(jīng)過開關(guān)乘法器，角度之差為0時(shí)，輸出信號(hào)最大。 3 電路與程序設(shè)計(jì)3.1 電路設(shè)計(jì)3.1.

6、1穿電阻分壓網(wǎng)絡(luò) 分壓采用直接電阻分壓即可獲得1/1000倍以上的分壓，為了獲得較好的分壓結(jié)果，R1、R2均采用精密電阻，并且為了保證分壓出來的微弱信號(hào)不受前后級(jí)電路的影響，加入電壓跟隨其電路，具體電路如圖3所示。圖3 純電阻分網(wǎng)絡(luò)3.1.2交流放大器 為了使微弱檢測(cè)電路的輸入阻抗1MHz，所以它的第一級(jí)為同相放大電路，則它的輸入阻抗至少大于1MHz，采用兩片INA118作為運(yùn)放放大10000倍，INA118的放大倍數(shù)，所以第一級(jí)放大100倍，第二級(jí)放大100倍，選擇電阻RG分別為500；INA128外圍電路簡(jiǎn)單，輸入阻抗高，并且有效抑制共模干擾，具體電路如圖4所示。 圖4 交流放大電路3.1

7、.3 帶通濾波器將低通濾波器與高通濾波器串聯(lián)，就可以得到帶通濾波器，因?yàn)橐筝斎胄盘?hào)的頻率范圍900Hz1.1KHz，所以帶通濾波器的通帶必須包含這個(gè)頻率范圍，帶入?yún)?shù)可得帶通濾波器電路，具體電路如圖5所示。圖5帶通濾波器3.1.4移相電路移相是指兩種同頻的信號(hào)，以其中一路為參考，另一路相對(duì)于該參考做超前或滯后的移動(dòng)，即稱為相位的移動(dòng)。 圖5 移相電路由方案論證得，本設(shè)計(jì)采用模擬移相電路。模擬移相電路其實(shí)就是一個(gè)全通濾波電路，它的放大倍數(shù)Au=（-1+jwRC）/(1+jwRC)，寫成模和相角的形式為：|Au|=1,=180°-2arctan（f/f0），其中f0=1/（2RC），濾

8、波器相移范圍均接近180°，移相電路如圖5所示。3.1.5方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路，主要用的是電壓比較器的工作原理，具體電路如圖6所示。 圖6 方波產(chǎn)生電路3.1.6相敏檢波器相敏檢波器首先將輸入信號(hào)同相和反相跟隨器，輸入到二選一模擬開關(guān)74HC4053，具體電路為圖7。圖7 相敏檢測(cè)電路3.1.7低通濾波器74HC4053的輸出最后經(jīng)過由OP07構(gòu)成的通濾波器，能夠達(dá)到濾波的效果，具體電路如圖8所示。 圖8低通濾波器3.1.8直流放大器由交流放大器輸出的信號(hào)，經(jīng)過直流放大器電路放大后，能得到較好的效果，如圖9所示。 圖9 直流放大器3.1.9直流放大器該電路能很好的將交流信號(hào)變成直

9、流信號(hào)，具體電路如圖9所示。 圖10 有效值檢測(cè)電路3.2 程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)MCU采用STC單片機(jī)STC89C52，A/D模塊采用TLC2543,顯示采用OLED。MCU將TLC2543采集到的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在OLED上。系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖11所示。 圖11 系統(tǒng)軟件流程圖4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試儀器任意波形發(fā)生器 模擬示波器 萬用表 直流電源4.2 測(cè)試結(jié)果4.2.1信號(hào)通道的輸出波形 信號(hào)通道的輸出波形如圖12所示，其中藍(lán)色信號(hào)： X(t)為信號(hào)通道的輸出波形；黃色信號(hào)：信號(hào)源信號(hào)。 圖12 信號(hào)通道輸出波形4.2.2參考通道的輸入波形和輸出波形的移相 參考通道的波形如圖13所示，可以很明顯的看到方波信號(hào)與正弦信號(hào)的相位差。其中藍(lán)色信號(hào)： R(t)為參考信號(hào)；黃色信號(hào)：r(t)方波信號(hào)。 圖13 參考通道波形4.2.3 相敏檢波器的輸出波形相敏檢波器的波形如圖14所示，黃色信號(hào)為相敏檢波器的輸出波形，藍(lán)色為相敏檢波器的輸入的正弦信號(hào)X(t)。從圖形來看，該相敏檢波器的效果是很好的。 圖14 相敏檢波器的輸出波形4.3測(cè)試結(jié)果及分析 由上述測(cè)試數(shù)據(jù)可得，本系統(tǒng)能較好地完成各項(xiàng)指標(biāo)，當(dāng)正弦信號(hào)頻率為1K時(shí)，輸入信號(hào)幅度在5VPP能很好地顯示出來，誤差在10%范圍內(nèi)，在100uvpp-1