鎖定放大器C題完整版本

1、C題：鎖定放大器的設(shè)計(jì)摘要：此設(shè)計(jì)用于檢測(cè)微弱信號(hào)。分析了微弱信號(hào)檢測(cè)的原理，并給出了實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)分為兩路通道，一路為信號(hào)通道對(duì)混入的噪聲和干擾頻率進(jìn)行交流放大和帶通濾波；另一路為參考信號(hào)通道，采用同頻率待測(cè)信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整。使其參考信號(hào)與微弱信號(hào)產(chǎn)生相位差，再將兩路信號(hào)送入相敏檢波器，低通濾波后提取需要的信號(hào)。本次設(shè)計(jì)以STM32做成的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)按鍵步進(jìn)移相，從而產(chǎn)生參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)之間的相位差，以AD630進(jìn)行相敏檢波去實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的處理，再以巴特沃茲低通濾波達(dá)到信號(hào)從噪聲背景中提取出來(lái)的功能。關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)，鎖定放大器，相敏檢波，STM32，濾波引言：微弱信號(hào)是指深埋在背景噪聲中的

2、極其微弱的有用信號(hào)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，被噪聲掩蓋的各種微弱信號(hào)的檢測(cè)(如、弱光、微溫差、微振動(dòng)、弱磁、微電流等)愈來(lái)愈受到人們的重視。而對(duì)于眾多的微弱量一般都通過(guò)各種傳感器、放大器作非電量轉(zhuǎn)換的，使檢測(cè)對(duì)象變換成可測(cè)的電量。但微弱檢測(cè)本身的漲落，以及傳感器的優(yōu)劣與檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲影響，從而影響總的檢測(cè)效果。目前，相干檢測(cè)技術(shù)是使信噪比改善最大，恢復(fù)信號(hào)原形最佳的技術(shù)，同時(shí)也是眾多檢測(cè)技術(shù)中成熟的技術(shù)。目錄一、方案論證與比較11.1 交流放大器的方法與比較11.2 帶通濾波器的設(shè)計(jì)11.3觸發(fā)整形電路的選擇11.4 移相方法比較與選擇11.5 相敏檢波器的比較與選擇21.6 低通濾波器類(lèi)型選

3、擇2二、理論分析與參數(shù)的計(jì)算22.1 信號(hào)通道分析22.2 參考通道分析32.3 相敏檢波電路分析3三、電路設(shè)計(jì)與分析43.1交流放大電路43.2 帶通設(shè)計(jì)電路53.3 觸發(fā)整形設(shè)計(jì)電路53.4 移相電路設(shè)計(jì)原理53.5 相敏檢波電路63.6 低通濾波電路6四、測(cè)試方法和數(shù)據(jù)74.1 元器件與測(cè)試儀器74.2 測(cè)試數(shù)據(jù)74.3 測(cè)試波形8五、結(jié)果分析與總結(jié)9一、 方案論證與比較1.1 交流放大器的方法與比較方案一：使用可編程運(yùn)放PGA202,PGA203通過(guò)增益的不同組合實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)范圍10uV1mV的選擇性放大，但是編程比較復(fù)雜。法案二：使用LM324進(jìn)行運(yùn)放，因?yàn)長(zhǎng)M324屬于通用型，成

4、本相對(duì)低，但是它檢測(cè)微弱信號(hào)的能力相對(duì)較弱，溫度漂移也比較高。方案三：使用AD620進(jìn)行電路放大，它的外圍電路更簡(jiǎn)單，輸入阻抗高，輸出阻抗低，增益高且抗干擾能力強(qiáng)，是一款專(zhuān)門(mén)為小信號(hào)設(shè)計(jì)的芯片。比較三者方案為了得到微弱信號(hào)放大所以使用方案三，AD620只需一個(gè)電阻就能實(shí)現(xiàn)控制放大，可以更好的提高增益，減少噪音。1.2 帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案一：使用切比雪夫進(jìn)行帶通濾波，其幅頻特性在通帶或者阻帶有等波紋特性。方案二：使用橢圓濾波，其通帶和阻帶內(nèi)均呈現(xiàn)等波紋幅頻特性，且相位特性的非線(xiàn)性也嚴(yán)重。方案三：使用巴特沃茲進(jìn)行帶通濾波，優(yōu)點(diǎn)在于它是單調(diào)上升函數(shù)，通帶、阻帶均無(wú)波動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。比較三種方案，

5、最終選擇方案三以巴特沃茲進(jìn)行帶通濾波，主要考慮其單調(diào)下降特性。 1.3觸發(fā)整形電路的選擇方案一：采用LM393進(jìn)行過(guò)能比較實(shí)現(xiàn)觸發(fā)整形，它失調(diào)電壓低，專(zhuān)為獲得電壓范圍、單電源供電而設(shè)計(jì)， 且具有單電源供電。方案二：采用6N137實(shí)現(xiàn)光耦隔離實(shí)現(xiàn)觸發(fā)整形，是一款用于單通道的高速光耦合器，具有電流、電壓補(bǔ)償功能。比較兩者方案，發(fā)現(xiàn)LM393設(shè)計(jì)的過(guò)能比較器對(duì)前一級(jí)影響較大，所以采用方案二。1.4 移相方法比較與選擇方案一：采用RC延遲，此種方案容易失真，且不好數(shù)控。方案二：采用兩片STM32芯片，組成單片機(jī)移向，由于頻率高，正確率大，且能夠?qū)崿F(xiàn)按鍵控制。對(duì)比兩種方式，方案二可以實(shí)現(xiàn)鍵控的特點(diǎn)且相對(duì)

6、方便，而且與串口屏連接可實(shí)現(xiàn)提前設(shè)定移相角度，所以選擇方案二。1.5 相敏檢波器的比較與選擇方案一：采用由變壓器和二極管橋組成的相敏檢波，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于需要兩個(gè)變壓器，使得體積大、成本高，穩(wěn)定性差，不適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)的要求。方案二：采用AD630芯片的乘法形式的相敏檢波。由于它是近似的正弦波（參考信號(hào)）去乘檢波信號(hào)所以不但排除偶次諧波而且也排除奇次諧波的影響。兩者比較起來(lái)，由于AD630為主的乘法器具有無(wú)需調(diào)試檢測(cè)方便，且被廣泛的應(yīng)用在電測(cè)技術(shù)中，所以本設(shè)計(jì)采用方案二AD630組成的開(kāi)關(guān)乘法器。1.6 低通濾波器類(lèi)型選擇 方案一：貝塞爾低通濾波器，具有最大平坦的群延遲線(xiàn)性過(guò)濾器，因而保持

7、了過(guò)濾信號(hào)的波形。方案二：切比雪夫低通濾波器，其過(guò)度帶衰減快，切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)之間誤差最小。方案三：巴特沃斯低通濾波器，它的通頻帶頻率響應(yīng)沒(méi)有起伏，比較平坦，振幅也隨角頻率的增加而減少。比較三者方案，發(fā)現(xiàn)貝塞爾低通濾波器的選擇性比同階濾波器要差，而且切比雪夫低通濾波頻率響應(yīng)幅度不夠平坦，所以選擇方案三。二、 理論分析與參數(shù)的計(jì)算根據(jù)賽題要求的任務(wù)，信號(hào)通道，參考信號(hào)，相敏檢波和低通濾波組成了鎖定放大器以下分別對(duì)其進(jìn)行原理分析與參數(shù)計(jì)算。如圖2-1為設(shè)計(jì)流程圖圖2-1 設(shè)計(jì)流程圖2.1 信號(hào)通道分析信號(hào)通道是鎖定放大器前一部分，包括交流放大器和帶通濾波器組成。作用是把微弱

8、的信號(hào)放大到足以推動(dòng)相敏檢波器工作的電平，并且具有抑制和濾掉部分干擾信號(hào)的功能，還可以擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍。由于被測(cè)信號(hào)范圍在10uV1mV之間，所以使用交流放大器使其增大電壓的倍數(shù)，通過(guò)帶通濾波器截取題目需求的900Hz1100Hz送給相敏檢波器進(jìn)行乘法運(yùn)算。以下是帶通濾波器的運(yùn)算方式:特征頻率：f0=12*R*C 最大增益：A=1+RfR1品質(zhì)因數(shù)：Q=13-A 通頻帶：Bw=f0Q2.2 參考通道分析相敏檢波除了一個(gè)被測(cè)信號(hào)外，還需要另一個(gè)參考信號(hào)送給乘法器進(jìn)行乘法運(yùn)算，因此參考通道是鎖定放大器區(qū)別一般儀器不可缺少的一個(gè)重要組成部分。作用是產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)同頻率的參考信號(hào)輸送給相敏檢波器。參

9、考通道主要由觸發(fā)整形，移相器，方波驅(qū)動(dòng)組成。本次設(shè)計(jì)通過(guò)兩塊單片實(shí)現(xiàn)步進(jìn)移向，先用串口屏設(shè)定移向角度發(fā)送給STM32F103ZET6芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再將處理過(guò)的信號(hào)通過(guò)串口2提供給STM32F103RBT6 芯片進(jìn)行步進(jìn)移向。其原理為頻率是1KHz，把周期1ms分成360°計(jì)算方式如下：K=1360=2.78us然后每延遲2.78us就相當(dāng)于移動(dòng)了1°并且將移相后的方波輸入給相敏檢波器進(jìn)行乘法運(yùn)算，根據(jù)參考通道的輸出r(t)為方波信號(hào)，r（t）的相位相對(duì)參考信號(hào)R(t)可連續(xù)移相180°，步進(jìn)間距可調(diào)至到1°，可做到提前設(shè)定移相值。2.3 相敏檢波電路

10、分析相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻能力的檢波電路。它的選頻特性是指它對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的傳遞特性。如圖2-2相敏檢波原理圖2-2 相敏檢波原理輸入信號(hào) xt=Vsin*cos(t+)參考信號(hào) rt=4Vrn=1(-1)n+12n-1cos2n-1t輸入信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)過(guò)乘法器后： Vout=xt*r(t)= Vsin*cost+*4Vrn=1(-1)n+12n-1cos2n-1t 式子中的差頻項(xiàng)與和頻項(xiàng)，經(jīng)過(guò)低通濾波作用，n>1的差頻項(xiàng)及所有的和頻項(xiàng)均被濾除，只剩下n=1的差頻項(xiàng)為： Vout=2*VsVf*cos 在鎖定放大器信號(hào)的S（t）輸入增加一個(gè)加法器混入干擾頻

11、率n(t)其頻率為1050Hz2100Hz如圖2-3疊加噪聲電路圖圖2-3疊加噪聲電路圖設(shè)y(t)=x(t)+n(t)為混入噪聲的輸入信號(hào)，其中s(t)為待測(cè)信號(hào)，n（t）為噪聲，R(t)為s(t)的同頻率的參考信號(hào)，與噪聲n(t)無(wú)相關(guān)性，兩路信號(hào)通過(guò)乘法器，積分后平均運(yùn)算后，可得到輸出Wys(): Wys()=limT12T-TTytRt-dt=Wys()+Wns()已知參考信號(hào)R(t)與噪聲n(t)沒(méi)有相關(guān)性，所以Wns()=0,簡(jiǎn)化后得：Wys=Wys()。三、 電路設(shè)計(jì)與分析3.1交流放大電路此電路采用AD620做為放大電路進(jìn)行交流放大，AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需

12、要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益，增益范圍在110000，此外AD620還具有低噪聲、地輸入偏置電流和低功耗的特性。如圖3-1交流放大電路所示。圖3-1交流放大電路3.2 帶通設(shè)計(jì)電路帶通濾波器是指能通過(guò)某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾波器，本次設(shè)計(jì)以巴特沃茲進(jìn)行設(shè)計(jì)，此電路具有單調(diào)下降通帶無(wú)波動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)通過(guò)帶通濾波將1KHz的信號(hào)進(jìn)行截取帶寬為200Hz，頻率為900Hz1100Hz。如圖3-2帶通濾波電路所示如圖3-2帶通濾波電路3.3 觸發(fā)整形設(shè)計(jì)電路此設(shè)計(jì)使用6N137芯片進(jìn)行光耦隔離從而實(shí)現(xiàn)觸發(fā)整形的目的，如圖3-3光耦隔離電路：圖3-3光耦隔

13、離電路3.4 移相電路設(shè)計(jì)原理移相電路是能夠?qū)Σǖ南辔贿M(jìn)行調(diào)整的電路，本此設(shè)計(jì)采用兩片STM32芯片用單片機(jī)對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制。通過(guò)對(duì)串口屏設(shè)置移相角度，然后通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理使得觸發(fā)整形后的信號(hào)實(shí)現(xiàn)相位可調(diào)。如下圖3-3移相電路。圖3-3 移相電路3.5 相敏檢波電路相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻能力的檢波電路。它的選頻特性是指它對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)有不同的傳遞特性。此設(shè)計(jì)采用AD630進(jìn)行控制，AD630是一款高精度平衡調(diào)節(jié)器，具有靈活的換流結(jié)構(gòu)。具有很大的動(dòng)態(tài)范圍。如圖3-4相敏檢波電路和圖3-5 AD630主要電路。 圖3-4 相敏檢波電路 圖3-5 AD630主要電路3.6 低通

14、濾波電路通過(guò)低通濾波電路可以有效的濾掉相敏檢波后的交流成分，使得直流成分被保留下來(lái)，他的大小與輸入信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差j有關(guān)。本次設(shè)計(jì)以巴特沃茲進(jìn)行低通濾波，如下圖3-6低通濾波電路。如圖3-6低通濾波電路四、 測(cè)試方法和數(shù)據(jù)4.1 元器件與測(cè)試儀器元器件 儀器設(shè)備AD620AD6306N137OP07STM32F103RBT6STM32F103ZET6顯示屏 數(shù)字萬(wàn)用表 數(shù)字示波器 信號(hào)發(fā)生器 4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)參考通道輸入方波信號(hào)r(t)與參考信號(hào)R(t)的相移角度和步進(jìn)大小，如下表1-1所示理論移相角度實(shí)際移相角度是否滿(mǎn)足題意0°180°0°180

15、76;滿(mǎn)足理論步進(jìn)大小實(shí)際步進(jìn)大小是否滿(mǎn)足題意小與10°1°滿(mǎn)足表1-1測(cè)量信號(hào)通道中帶通濾波器，得到帶寬和分貝值，如下表1-2所示理論信號(hào)分貝理論信號(hào)分貝誤差大小是否滿(mǎn)足3dB3dB0滿(mǎn)足理論頻帶范圍實(shí)際頻帶范圍誤差大小是否滿(mǎn)足900Hz1100Hz9201100Hz10%滿(mǎn)足200Hz180Hz表1-2外接頻率為1KHz的正弦波，測(cè)出實(shí)際輸出電壓Vs(t)，計(jì)算誤差大小，并比較理論值。如下表1-3所示理論輸入電壓VS(t)實(shí)際輸出電壓Vs(t)誤差大小是否滿(mǎn)足100 uV1055%滿(mǎn)足200 uV2063%滿(mǎn)足500 uV5204%滿(mǎn)足1000 uV10303%滿(mǎn)足表1

16、-3當(dāng)外加噪聲信號(hào)n(t)，頻率為1050Hz2100Hz,幅度大小等于輸入電壓VS(t)時(shí)，如下表1-4所示理論輸入電壓VS(t)實(shí)際輸出電壓Vs(t)誤差大小是否滿(mǎn)足100uV1033%滿(mǎn)足200uV2063%滿(mǎn)足500uV5204%滿(mǎn)足1000uV10404%滿(mǎn)足表1-4增大噪聲信號(hào)n(t)，其他條件不變，使其幅度大小為10s(t),如下表1-5所示理論輸入電壓VS(t)實(shí)際輸出電壓Vs(t)誤差大小是否滿(mǎn)足100uV102 uV2%滿(mǎn)足200uV205 uV2.5%滿(mǎn)足500uV510 uV2%滿(mǎn)足1000uV1020 uV2%滿(mǎn)足表1-54.3 測(cè)試波形為了更加只觀，如圖4-1相位差

17、波形表示出了不同相移情況下相位檢波測(cè)試的各點(diǎn)的波形。當(dāng)=0°時(shí)，cos=1,這時(shí)的相敏檢波器相當(dāng)于全波整流。經(jīng)低通濾波得到的平均值Vout最大，如圖4-1（a）所示；當(dāng)=90°時(shí)，cos=0，因此正負(fù)各一半，經(jīng)低通濾波以后得到的平均值Vout為零如圖4-1（b）所示；當(dāng)=180°時(shí)，cos=-1，經(jīng)低通濾波得到的平均值Vout為負(fù)向最大，其輸出波形如圖4-1（c）所示；（a） （b） (c)圖4-1相位差波形顯示五、 結(jié)果分析與總結(jié)經(jīng)過(guò)這次的鎖定放大器的設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)鎖定放大器的理解，實(shí)際上它就像是一個(gè)選通濾波器，只有和參考信號(hào)相同頻率的信號(hào)才可以通過(guò)鎖定放大器

18、，并得出結(jié)果。在本設(shè)計(jì)中，我在方案論證中從成本，實(shí)現(xiàn)難以程度等角度出發(fā)，認(rèn)真分析選擇最適合這次設(shè)計(jì)的各種模塊。由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，成功的將微小信號(hào)放大，由此可見(jiàn)我們可以運(yùn)用鎖定放大器去檢測(cè)微弱信號(hào)，它能精確地測(cè)量被掩埋在噪聲中的微小信號(hào)，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在電子學(xué)、信息科學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、低溫物理等許多領(lǐng)域,越來(lái)越需要測(cè)量深埋在噪音中的微弱信號(hào)。本次設(shè)計(jì)就介紹了一種低成本，靈活性高的鎖定器放大器。參考文獻(xiàn)：【1】曾慶勇微弱信號(hào)檢測(cè)浙江大學(xué)出版社，2003【2】戴逸松微弱信號(hào)檢測(cè)方法及儀器，北京國(guó)防工業(yè)出版社，1994【3】高晉占微弱信號(hào)檢測(cè)清華大學(xué)出版社2004【6】張利華。相關(guān)檢測(cè)及其在鎖相放大器中的應(yīng)用物理，1988.【7】SergioFranco.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)，劉樹(shù)棠譯西安：西安交通大學(xué)出版社，2004【8】馬忠梅 劉濱 單片機(jī)C語(yǔ)