1锁定放大器的设计

贾  硕，李昊政，刘文瑜

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

摘  要：本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，由信号通道电路，参考通道电路，相敏检波器，输出显示部分组成。其中信号经电阻分压网络生成微小信号，再经过放大和参考通道的方波输入到AD630,AD630再输出直流量给单片机采样显示。经测试，本系统能准确测量出强噪声背景下范围为10uf-1mV的微弱信号，并在液晶准确显示，基本完成了题目要求。本系统分压网络由精密电阻搭建的π型分压网络，简单快捷，稳定性高，移相运用了有源移相网络，实现了0到360度连续调节。检测显示模块利用高性能MSP430单片机和高精度模数转换器ADS1118进行采样并经128显示，美观大方。

关键词：微弱信号；相敏检波器；MSP430   

The Design of The Lock-in Amplifier

JIA Shuo, LI Zheng-hao, LIU Wen-yu

(College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001,China)

Abstract:This system is a weak signal detection based on phase-locked amplifier device, the signal channel circuit, the reference channel circuit, phase-sensitive detector and the output display parts. The signals generated by partial pressure resistance network of tiny, then amplified and reference channel of square wave input to AD630, AD630 output straight flow show single-chip microcomputer sampling again. After the test, this system can accurately measure the strong noise background range of 10 uf - 1 mv weak signal, and the liquid crystal display accurately, basically completed the topic request. phase shift using the active phase shift network, implements the continuous adjustment 0 to 360 degrees. Detection display module using high-performance MSP430 single chip microcomputer and high precision adc ADS1118 samples and by 128.

Key words:weak signal; phase sensitive detector; MSP430

1  设计任务

1．1  任务

设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器（LIA）。锁定放大器基本组成框图见图1。

作品来源：2014年黑龙江TI杯大学生电子设计大赛一等奖 

作者简介：贾  硕(1994-),男，2012级,通信工程专业

指导教师：阳昌汉(1939-),男，教授，信息与通信工程学院 

图1  锁定放大器基本组成结构框图

1．2  基本要求

1)外接信号源提供频率为1kHz的正弦波信号，幅度自定，输入至参考信号R(t)端。R(t)通过自制电阻分压网络降压接至被测信号S(t)端，S(t)幅度有效值为 10μV~1mV；（5分）

2)参考通道的输出r(t)为方波信号，r(t)的相位相对参考信号R(t)可连续调节或步进移相180度，步进间距小于10度；（20分）

3)信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。误差小于20%；（10分）

4)在锁定放大器输出端，设计一个能测量显示被测信号S(t)幅度有效值的电路。测量显示值与S(t)有效值的误差小于10%；（15分）

5)在锁定放大器信号S(t)输入端增加一个运放构成的加法器电路，实现S(t)与干扰信号n(t)的1:1叠加，如图2所示；（5分）

6)用另一信号源产生一个频率为1050~2100Hz的正弦波信号，作为n(t)叠加在锁定放大器的输入端，信号幅度等于S(t)。n(t)亦可由与获得S(t)同样结构的电阻分压网络得到。锁定放大器应尽量降低n(t)对S(t)信号有效值测量的影响，测量误差小于10%；（20分）

7)增加n(t)幅度，使之等于10S(t)，锁定放大器对S(t)信号有效值的测量误差小于10%。（20分）

2  方案论证

2.1  交流放大器

    方案一：采用单级低噪声放大，能够很好的抑制噪声。但是考虑到前级衰减网络衰减倍数较小，一级放大倍数会很大，无法达到低噪的效果。

    方案二：采用两级放大，前级用仪表放大器，后级用低噪放大器。仪表放大具有很高的共模抑制比，在很高的放大倍数下依然能够有很好的噪声抑制性能。

综上，为了达到很高的放大倍数且有足够好的噪声抑制性能，选择方案二。

2.2  带通滤波器

    方案一：采用四阶巴特沃兹多路反馈型带通滤波器。该滤波器滤除杂波，但是滤波器设计复杂，且对电电容取值极为敏感，调试略微复杂，且PCB面积较大。

    方案二：采用集成滤波器。该滤波器设计简单，只需调整很少的参数，就能获得很好的滤波效果，电路设计简单，且占用很少的面积[1]。

综上，为减少面积和设计复杂程度，采用集成滤波器，以很好的抑制噪声。

2.3  相敏检波器

    方案一:采用模拟乘法器和低通滤波器组成的相敏检波器，能够很好的实现相干检测，但是考虑到信号的动态范围，而模拟乘法器动态范围太小。

    方案二：采用开关模拟乘法器和低通滤波器能够很好的解决输入信号的动态范围并且实现相干检测。

综上，考虑到为了实现较大的动态范围，选择开关乘法器。

2.4  移相器

    方案一：数字移相。数字移相能够更方便的控制移相大小。但是增加工作量，且相位步进不好控制。

    方案二：有源RC移相器。RC移相器不仅解决数字移相时幅度改变带来的相位变化，而且连续可调。电路设计简单。

综上，考虑到电路设计复杂度和测量准确度，选择方案二。

2.5  软件方案选取

    方案一：选取STM32作为微处理器，处理器内部具有ADC，优点为转化速率快，缺点是STM32内部AD为12位或8位（可软件选择），且参考电压为最小系统的稳压芯片提供，所采的电压值并不精准。故需采用外部ADC来进行采样。

    方案二：选取MSP430F5529作为微处理器，该处理器优点为低功耗，缺点为转化速率较慢。采用外部高精度AD芯片ADS1118作为模数转换

综上，考虑到整个系统的设计，MSP430完全可以胜任这项任务。并且MSP430的低功耗性能也可以减小整个系统的功耗，使整个系统更具有稳定性。ADS1118内部带有可编程增益放大器，可选较小的量程提高采样精度。所以我们选用MSP430作为微处理器，ADS1118作为外部ADC来对系统产生的直流进行采样。

2.6  系统整体方案：

系统采用衰减器把微弱信号送进输入级，经低噪放大，带通滤波送进开关乘法器信号输入端，再由参考通道产生方波驱动开关乘法器，利用相干检波滤除直流分量，再由ADC采集信号并由液晶显示屏显示[2]。

2.7  系统总体框图

图2  系统总体框图

3  理论分析计算

3.1  硬件电路的设计原理

3.1.1  信号通道电路的设计

    信号通道电路包括两路衰减器，加法器，交流放大器，带通滤波器。当不加干扰信号时，关闭N(t)信号通道，直接测量显示；叠加干扰信号，直接打开N(t )通道，输出干扰信号，测量即可。如图2所示：衰减器由π型分压网络组成。考虑到阻抗匹配，设定输入输出电阻为50Ω，其衰减倍数设定为500倍，则R1=R14=25K.

加法器要求能实现s (t)与干扰信号n(t )叠加，采用反相加法器可实现此功能。由于进入加法器信号为微弱信号，受噪声影响大，故采用低噪声运放opa227,加法器增益设计为1，所以取R2=R7=R10=1K。

    交流放大器部分第一级采用INA128放大100倍，INA128是TI公司生产的低噪声仪表放大器，性能极为优越。其计算公式：Au=1+50k/Rg 所以当Au=100时，取Rg=505Ω。第二级采用低噪声放大器OP37设计的同相比例放大电路。根据同相比例电路原理：当Au=10时，取R8=1k，Rf=10k。

带通滤波器采用TI公司生产的通用有源滤波器UAF42。该芯片电路设计简单，只需参照TI官方芯片资料计算和选取参数，即能设计符合要求的带通滤波器。这里我们设计中心频率1KHz通频带为200Hz。参考取值;R13=6.2k,R12=R18=162k[3]。

图3  信号通道电路

3.1.2  参考通道触发整形电路的设计

    如图3所示，参考通道由两级有源移相网络和方波发生器组成。为实现r（t）的相位相对参考信号R(t)可连续调节180度，采用两级级联有源移相电路，通过两级运放，可轻松实现0到180度移相，实际运用中电路实现了接近0到360度连续调节，通过计算，取R1=R2=R3=R4=10K，C2=C3=104,两滑动变阻器取20K，芯片选用通用型运放OP07。

    方波发生电路采用LM311典型应用电路：过零比较器。由于LM311在比较器的输出端上拉电阻两端并接一个容量适当的电容, 对滤除和减弱振荡有显著效果。电容的容量应在实验的基础上确定，不宜太大, 否则会使输出脉冲的前沿变坏。而加入电容后会使方波上升沿变缓，这里加入稳压管做箝位电路。

图4  参考通道触发整形电路

3.1.3  相敏检波器的设计

    相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器 本设计采用开关式乘法器。相敏检波器PSD的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波 当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大。

图5  相敏检波器原理图

设输入信号为：

参考信号方波为：  

相乘后的结果：                                                                                           

    上式左边为差频分量，右边为和频分量。当信号经过低通滤波器时。N>1的差频分量和和频分量就会全部滤除。从而得出直流分量：

    这时，只要我们调整相位差为0，则输出的直流分量最大，从而可以由单片机采集和输出。我们采用集成开关模拟乘法器AD630作方波和正弦信号的调制，其电路原理图如下

图6  模拟开关乘法器

3.1.4  低通滤波器的设计

    为了实现更好的带外衰减幅度，采用两级低通滤波器级联。因为是滤除直流分量，所以第一级的截止频率设定为f1=10Hz，f2=5Hz。根据低通滤波器原理：

分别取R1=16K，R2=3.3K；C1=1Uf，C2=10Uf。电路图如下

图7  低通滤波器

3.2  单片机控制与系统任务的设计与选取

单片机通过外部AD（ADS1118）来进行数模转换。根据输入和输出的比例关系来进行数值校订。TI的ADS1118的转化速率为860次每秒（SPS），内部带有可编程增益放大器，可以选择较小的量程以提高采样精度。以下为软件流程图：

图8 软件流程图

4  测试结果与误差分析

4.1  测试仪器

泰克示波器，安捷伦万用表，安捷伦信号发生器

4.2  测试分析

4.2.1  衰减器测试

    信号源输出500mvrms正弦信号时，用安捷伦万用表测得衰减网络输出1mvrms，故衰减倍数为500倍。

4.2.2  移相器测试

  用泰克示波器显示输入正弦波与输出方波相位差。通过改变移相网络中的两个滑动变阻器阻值，实现了0度到360度连续可调。

4.2.3  带宽测试

调整信号源频率初始频率为1Khz，带通滤波器输出为1Vmrs。调整信号频率，观察并记录，结果如下表

表1

4.2.4  微弱信号测量

测量方法：调节信号源的输出电压，观察并记录液晶显示的数值。结果如下表

表2

表3

干扰

结果分析：无论是否叠加干扰信号，测量结果完全符合题目要求。

4.2.5  结论与误差分析

    由以上测量数据可知，基本所有测量结果误差均低于5%，但加入1:10噪声后，测量误差变大，接近10%。误差的来源可能是：

1)电阻的阻值不是标准的标称值；

2)电路会有分布电容，分布电感，所以会影响测量结果；

3)由于当初校准的时候使用不同仪器进行校准，所以用新的仪器测量时，可能会改变误差。

5  结论与心得体会

经过这次TI杯比赛，本组成员学到很多。在这个过程，我们对题目的分析与设计能力，对电路的制作与探究能力，都得到了很大的提升。我们深刻理解了锁定放大的原理，以及在微弱信号检测技术中噪声抑制重要性和常用的方法。在比赛中我们还锻炼了吃苦耐劳的精神，团队合作的能力，以及遇到问题的分析解决能力。同时我们的方案还存在问题，当系统的干扰信号很大时，测量的精度有待提高，在下一步，我们将提高系统的噪声抑制能力，如做好屏蔽，抑制电源波动，提高滤波器性能等。

致  谢

    感谢指导老师的悉心指导和团队的合作和奉献，正因为如此，实验才得以顺利完成。指导老师细心严谨的态度，和实事求是的作风十分值得学习，在此向老师表示最真挚的感谢。

参考文献

[1]谢红.模拟电子技术基础[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社:2013.

[2]沈建华.MSP430超低功耗单片机原理应用[M].北京：电子工业出版社：2007

[3]TI大学计划.德州仪器高性能模拟器件高校应用指南.[Z]:2014

（编务：杨雪萌）

导航评语

本电路系统设计结构简单、思路清晰、能够对关键点有所把握，文章对电路功能、原理的描述比较到位，但是对于电路的创新点却没有更多的深入，本电路与文章在着重强调功能的实现之后没有对电路性能的提高、指标的提升等有一个更好思考、研究与创新。不过在整个电路功能的实现中，本文章的相关设计还是不错的！同时根据其数据显示的结果，其电路指标也是相对而言做得较好的，如其滤波器的带宽、检波器性能、输入信号的测量等都能够相对较好达到要求。文章的语言描述也是比较恰当、完整、通顺、简洁！