鎖定放大器 許先志

1、鎖定放大器的設計摘要：本系統(tǒng)為一個用來檢測微弱信號并且能夠抗干擾的鎖定放大器（LIA）裝置,采用MSP430G2553單片機作為系統(tǒng)的核心控制器件，用ADS1115集成A/D轉換芯片將放大后的微弱信號采集回來在通過程序縮小相同的倍數(shù)之后顯示在液晶上。由信號衰減模塊、交流放大模塊、帶通濾波模塊、加法器模塊、觸發(fā)整形模塊、移相模塊、相敏檢波模塊、低通濾波模塊、直流放大模塊、5V穩(wěn)壓模塊、A/D數(shù)據采集模塊、LCD顯示模塊、單片機驅動模塊組成。具有參考信號步進移相間距小、信號通道通頻帶窄、數(shù)據采集及輸出精度高、抗干擾能力強等特點。關鍵詞：鎖定放大 微弱信號檢測 抗干擾 相敏檢波 移相 MSP430

2、ADS1112 LCD12864一、系統(tǒng)方案設計與比較根據本設計的要求，要完成微弱正弦信號的檢測并顯示其有效值，且要求達到一定精度。為實現(xiàn)此功能，本設計提出的總體方案如圖1所示。圖1 鎖定放大器基本組成結構框圖交流放大器相敏檢波器直流放大器低通濾波器帶通濾波器觸發(fā)整形MSP430移相方波驅動參考輸出r(t)信號x(t)信號通道參考通道S(t)顯示R(t)交流放大器帶通濾波器信號x(t)鎖定放大器圖2 鎖定放大器疊加噪聲電路圖S(t)加法器n(t)n(t)S(t)+n(t)n(t) 1、控制系統(tǒng)的方案論證方案一：51單片機:51單片機可以直接對I/O口進行進行位操作，寄存器的配置操作簡單，因此寄

3、存器的數(shù)量功能也十分有限。而且不能捕捉跳變沿捕獲，也不能輸出PWM。方案二：430單片機: 速度快，功耗低，外設豐富，有捕獲模塊，移相效果好。由于此設計移相時需要用捕獲信號來實現(xiàn)，故此設計更適合用430單片機。、帶通濾波器的方案論證方案一：此方案由一個低通濾波器與一個高通濾波器級聯(lián)而成，此電路可以實現(xiàn)帶通濾波的功能，但通帶不夠平坦。方案二：采用兩個有源帶通濾波器級聯(lián),與方案一相比，不同的中心頻率，但其通帶更加平坦，效果更好故選用方案二。3、相敏檢波器的設計 方案一：開關式乘法器：即變頻器，其中的MOS管起一個開關的作用，但輸入容較大，輸出波形會出現(xiàn)毛刺。 方案二：同為開關式乘法器，其中結型場效

4、應管起著開關作用，其輸入電容電壓較小，故輸出波形毛刺較小，效果好，故選用方案二。4、移相器的設計方案一：橋式RC模擬移相。采用該方案需要可變電容器，手動調節(jié)步進間距，步進間距很難控制。方案二：數(shù)字移向器不需要復雜的硬件電路，只需要程序就能實現(xiàn)，而且還能連續(xù)步進移相，步進間距可以自定，便以控制。故采用此方案。二、理論分析與計算1、外接信號源的幅度分析與計算：外接信號源的幅度有效值設計為大約11mV-1V,輸入至參考信號R（t）端，然后經過由100千歐和100歐自制的電阻分壓網絡降壓接至被測信號S（t）端，則可達到題目要求的S(t)幅度有效值為10uV-1mV。2、交流放大器的放大倍數(shù)分析與計算：

5、流入S(t)的信號經兩個反相比例放大器放大，一個放大33倍，兩個就放大1089倍。3、帶通濾波器電路的分析與計算：信號經過兩個帶通濾波器后達到了帶通濾波的目的，且限制頻帶范圍為900Hz-1100Hz，誤差能夠達到題目要求。4、移相器電路的分析與計算：設步近角為x度，計數(shù)y,x/360°=y/16000000/1ms=y/16000,則x=360y/16000,令y=222,則x大約為5°，程序就以這樣的計算方式來控制MSP430以此滿足題目要求。5、相敏檢波器模塊的分析與計算：被測信號S(t)、 參考信號r(t)和n(t)干擾信號及進入相敏濾波器，相敏濾波器把輸入的信號的

6、頻譜進行遷移，遷移后形狀不變。三、電路設計1、加法器和交流放大器模塊電路此部分由R(t)利用電阻分壓作為被測信號輸入到S(t)端,利用加法器將干擾信號與被測信號進行疊加，并且采用了繼電器來代替普通開關，使電路更智能化。如圖三所示。 圖3加法器與交流放大器2、帶通濾波器模塊電路帶通濾波采用兩級帶通濾波，經實際測量通頻帶在910Hz1105Hz。如圖4所示。 圖4 帶通濾波器3、觸發(fā)整形模塊電路此電路由過零比較器來實現(xiàn)把正弦波整形為方波。 圖5過零比較器4、MSP430移相模塊電路和用12864顯示模塊此電路以MSP430為控制中心原件來實現(xiàn)參考信號的移相功能，且通過程序控制ADS1115、MSP

7、430及LCD12864來實現(xiàn)輸出信號的顯示。 圖6 MSP430控制顯示及移相電路5、相敏檢波模塊用JFET-N來充當一個開關的作用，從而實現(xiàn)相敏檢波的功能，此后再加一個跟隨器，減小輸出電阻，減小負載對電路的影響。圖7相敏檢波電路6、低通濾波模塊采用兩級有源低通濾波器，截止頻率10Hz左右。 圖8 兩級低通濾波器7、直流放大模塊 圖9 直流放大電路四、程序設計1、重要模塊程序的實現(xiàn)（1）MSP430移相模塊 此模塊主要由程序來控制MSP430實現(xiàn)，輸入方波后，MSP430進行捕捉。當捕捉到信號的上升沿時，定時改變相位，P1.0輸出為1；當捕捉到信號的下降沿時，定時改變相位，P1.0輸出為0。

8、則實現(xiàn)了移相的功能。 （2）ADS1115采集與LCD12864顯示模塊 輸出的模擬信號信號經過ADS1115轉換為數(shù)字信號，再通過12864把得到的數(shù)字信號顯示出來，此過程都由AD轉換程序和LCD12864顯示程序進行控制。2、主要程序流程圖（移相與顯示） 開始輸入方波MSP430捕捉捕捉到上升沿定時改變相位捕捉到下降沿定時改變相位P1.0輸出為1P1.0輸出為0開始由MSP430輸出信號ADS1112采集LCD12864顯示 圖10 移相與顯示程序流程圖五、作品測試1、測試儀器:DH1718D-2型雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、TFG1005 DDS函數(shù)信號發(fā)生器，DS5022型號的示波器、臺式萬

9、用表。2、測試方案：用信號發(fā)生器產生一路1kHz/2V-Vpp的正弦波送至參考信號R(t)端，再產生另一路1050Hz2100Hz幅度相同的正弦波作為干擾信號n(t),各級輸入輸出信號端都留有檢測端子，加上輸入信號之后只需用示波器觀測各觀測點的輸出波形，然后分析每個觀測點的輸出波形及頻率特性，改變n(t)的幅度繼續(xù)分析。3、測試結果： (1) 移相電路測試 參考信號R(t)為1kHz正弦波，峰峰值為1V，本方案采用數(shù)字移相，步進角為5度，實際測試采用雙蹤示波器進行，結果如表2所示。表2r(t) 相移（度）測試結果(度)誤差155.12%23030.010.03%39090.050.054180

10、180.20.1%（2）通頻帶測試理論值測量值誤差900-1100905-11100.5%（3）無噪聲輸入下結果測試本系統(tǒng)增益為1000倍，輸出采用萬用表測量其有效值，結果如表3所示。表3輸入信號S(t)理論值測量值誤差11V0.35850.357V0.4%20.5V0.1790.174V2%(4) 1:1噪聲輸入下結果測試表4輸入信號S(t)理論值測量值誤差11V0.35850.352V3.94%20.5V0.1790.1658%(5) 1:10噪聲輸入結果測試表5輸入信號S(t)理論值測量值誤差11V0.35850.352V3.94%20.5V0.1790.165V8%4、結果分析電阻分壓

11、網絡正常衰減輸入信號，交流 直流放大器均正常放大。帶通濾波器的低頻截止頻率為910Hz，高頻截止頻率為1105Hz，通頻帶大致在900Hz1100Hz的范圍左右，誤差5%。移相器是通過單片機定時器實現(xiàn)，能實現(xiàn)連續(xù)等間距步進，步進幅度5°，小于10°。相敏檢波器能正常輸出相應的信號，工作正常。由于一級低通濾波的效果不太理想，所以我們采用的兩級濾波，截止頻率為10Hz左右。AD數(shù)據轉換器能正常采集數(shù)據并通過單片機處理現(xiàn)實在液晶上,誤差較小。改變干擾信號的幅度，經過帶通濾波器后基本被濾掉，輸出信號基本不產生變化。六、總結本系統(tǒng)將數(shù)字電路和模擬電路有效的結合，實現(xiàn)了檢測微弱信號的功能。此電路用加法器將干擾信號與被測信號疊加，參考信號通過電阻分壓功能降壓后與被測信號輸入端相連，然后經過交流放大器（此部分采用了繼電器，使設計更智能化）對輸入的信號兩級放大，然后通過帶通濾波器濾波；參考信號經過過零比較器與由MSP430控制的移相電路得到r(t),接著將r(t)與帶通濾波器輸出的信號進行相頻檢測，得到的信號再依次經過帶通跟隨器、低通濾波器，直流放大器，輸出的信號再進行AD轉換，再將信號由LCD12864顯示出來。各項指標都已達到題目要求，且精度高、智能化。參考文獻1 李智奇著. MSP430系列低功耗單片機原理與設計. 西安電子科