李方方邯鄲學(xué)院

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淺談鎖定放大器的設(shè)計(jì)

李方方
邯鄲學(xué)院

摘要：現(xiàn)時(shí)代，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，從噪聲中提取微弱的有用信號的技術(shù)日益完善，鎖定放大器的出現(xiàn)有效地實(shí)現(xiàn)了檢測微弱信號的需求。本文給出了以相敏檢波器為核心，用于完成強(qiáng)干擾背景下uV級小信號的有效提取的鎖定放大器的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵字：鎖定放大器 相敏檢波 微弱信號 強(qiáng)噪聲

鎖定放大器是把待處理的信號中和參考信號同步的信號加以放大并提取出來，它的等效噪聲帶寬很窄，可以使儀器抑制噪聲的特性提升好幾個(gè)數(shù)量級，有很強(qiáng)的抗噪聲性能。鎖定放大器是由信號通道、參考通道、相敏檢波電路以及輸出顯示電路四部分組成，各模塊相互配合實(shí)現(xiàn)檢測微弱信號的功能。該設(shè)計(jì)為檢測微弱信號提供了一種思路和一套解決方案，可廣泛地應(yīng)用于各大領(lǐng)域。

1　鎖定放大器原理分析

鎖定放大器是由信號通道模塊、參考通道模塊、相敏檢波器模塊和輸出顯示電路模塊構(gòu)成，對交流信號進(jìn)行相敏檢波。選取一個(gè)和被檢測信號有相同頻率和相位的參考信號為比較基準(zhǔn)，所以被測信號本身以及與參考信號同頻、同相的噪聲分量可以被鎖定放大器響應(yīng)，因此它能夠大幅度抑制噪聲，提取出有用信號。鎖定放大器不僅能利用信號的頻率特性，還利用了信號的相位特點(diǎn)，即“鎖定”了被測信號的相位。它的等效噪聲帶寬極窄，這很大程度上抑制住了無用信號。

2　總體設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)外接信號源提供正弦波信號R（t），一路送信號通道，一路送參考通道，R（t）在信號通道中經(jīng)過衰減獲得待測微弱信號，將由同樣方式得到的干擾信號和待測微弱信號用加法器進(jìn)行疊加，疊加后的信號經(jīng)過交流放大器和帶通濾波器后送入相敏檢波器，R（t）在參考通道中經(jīng)過整形移相后，利用電壓比較器產(chǎn)生方波送入相敏檢波器，然后通過低通濾波器輸出直流信號并通過直流放大器進(jìn)行放大，該直流信號通過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理后在1602液晶屏上顯示出來。

3　各模塊設(shè)計(jì)介紹

3.1信號通道模塊

信號通道是由純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、加法器、交流放大器、帶通濾波器四部分組成。純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)使用電阻串聯(lián)分壓，電路比較簡單，為了得到比較好的分壓效果，可以使用精密電阻。該設(shè)計(jì)需要將干擾加到電路中，所以用到同相加法電路，同相加法電路其實(shí)是同相比例放大電路和加法電路的合并。交流放大器使用兩級集成運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)交流放大。用低通濾波器和高通濾波器可以只允許某一個(gè)頻率段的信號通過。

3.2參考通道模塊

參考通道由觸發(fā)整形電路、移相電路組成。觸發(fā)整形電路是為了產(chǎn)生方波，實(shí)際上使用的是電壓比較器的特性，電壓比較器類似于放大倍數(shù)接近“無限大”的運(yùn)算放大器，它通過比較模擬量電壓和參考固定電壓，在兩者幅度相等的附近，輸出電壓發(fā)生跳變，輸出高電平或低電平，使用電壓比較器，最后可以將正弦信號變成方波信號。移相網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字移相的方法，由信號源產(chǎn)生的正弦波整形成方波后，單片機(jī)是利用延時(shí)的方法使方波的相位移動(dòng)。

3.3相敏檢波電路

相敏檢波器、低通濾波器和直流放大器三個(gè)模塊組成相敏檢波電路。相敏檢波器使用開關(guān)式乘法器，它的本質(zhì)就是對輸入的兩個(gè)信號的相位進(jìn)行檢波，當(dāng)輸入的兩個(gè)信號同頻同相時(shí)，相敏檢波器和全波整流的作用類似，檢波的輸出是最大的。低通濾波器可以用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，濾除頻率較高的分量。此處的直流放大器就是同相比例運(yùn)算放大器，直流放大器是為了調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍，使其調(diào)到一個(gè)合適的范圍，讓單片機(jī)采集。

3.4輸出顯示電路

輸出顯示電路由單片機(jī)、LCD1602液晶顯示屏組成。本設(shè)計(jì)可以采用STC12C5A60S2單片機(jī)，利用單片機(jī)本身帶有的A/D轉(zhuǎn)換功能，使模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)帶的A/D轉(zhuǎn)換功能是利用逐次比較的邏輯，由最高位開始，順序地比較每個(gè)輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，經(jīng)過比較，使轉(zhuǎn)換所得到的數(shù)字量逐次逼近輸入的模擬量的值，最后輸出數(shù)字量?？梢允褂肔CD1602字符型液晶顯示屏顯示出最終的數(shù)字量。

4　結(jié)語

鎖定放大器的設(shè)計(jì)使從噪聲中檢測小信號的設(shè)想變成了可能。該設(shè)計(jì)主要基于模擬器件實(shí)現(xiàn)，噪聲源與干擾信號的疊加、衰減、濾波、檢波，最后A/D采樣處理并顯示，構(gòu)成一套完整的鎖定放大系統(tǒng)。鎖定放大器在檢測微弱信號方面做出了很大貢獻(xiàn)，它使微弱信號的檢測邁入了一個(gè)新的高度，它可以應(yīng)用到很多領(lǐng)域，為人類社會(huì)留下了一筆寶貴的財(cái)富。

參考文獻(xiàn)

［1］高普占.微弱信號檢測［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［2］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［3］王江濤.低相噪DDS信號產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2007（S1）： 148-151.

［4］宋偉先.軟件鎖相環(huán)的研究與接收機(jī)的設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱工程大學(xué)，2009.

［5］曾慶勇.弱信號檢測［M］.浙江：浙江大學(xué)出版社，1994，1-120.

［6］王鑫，孫明.鎖定放大器原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探討［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2002，22（1）： 41-43.