鎖定放大器實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、A6 ：潘美方、于溪、石汶奇 鎖定放大器的設(shè)計(jì)（C題）摘 要本系統(tǒng)是基于鎖定放大器的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置，用來檢測(cè)在強(qiáng)噪聲的影響下微弱正弦波的幅值。本系統(tǒng)由純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、加法器、交流放大器、帶通濾波器、滯回比較器、相敏檢波器、低通濾波器和直流放大電路組成。本系統(tǒng)是以相敏檢波器為核心，參考信號(hào)經(jīng)過移相后，通過滯回比較器觸發(fā)整形產(chǎn)生方波。移相電路用于調(diào)整方波與正弦波相位一致性，開關(guān)乘法器CD4053在方波的驅(qū)動(dòng)下對(duì)正弦波進(jìn)行全波整流，最后通過低通濾波器和直流放大器檢測(cè)出微弱信號(hào)，并通過MCU采樣，在液晶屏上顯示微弱信號(hào)的幅度。經(jīng)最終的測(cè)試，系統(tǒng)能較好的完成微弱信號(hào)的檢測(cè)。 Abstract This

2、 system is a device for weak signal detection based on Lock-in amplifier,which can be used to detect the weak amplitude sine wave under the influence of strong noise.The system consists of a purely resistive divider network,adders,AC amplifier,a bandpass filter,hysteresis comparator,phrase sensitive

3、 detector,a low-pass filter and a DC amplifier circuit.The phrase shifter is for adjusting the phase of the square wave and sine wave consistency,with switch multiplier CD4053 driving under the square wave full-wave rectified sine wave.Finally, after go through the low-pass filter and a DC amplifier

4、,we detect the weak signal with sampling by MCU, and display the amplitude of the weak signal on the LCD screen.After the final test, the system can complete the detection of weak signals well.1 系統(tǒng)方案1.1 方案比較與選擇1.1.1 觸發(fā)整形電路 方案一：采用單限比較器。電路簡(jiǎn)單，但是當(dāng)輸入電壓在閾值電壓附近的任何微小變化都會(huì)引起輸出電壓的躍變，抗干擾能力差，因此不選用此方案。 方案二：采用滯回比較

5、器。它具有滯回特性，有慣性，電路有很高的抗干擾能力，且較穩(wěn)定，因此選用方案二。 1.1.2 移相電路 方案一：采用MSP430單片機(jī)進(jìn)行移相。利用捕獲矩形波信號(hào)的上升沿，檢測(cè)矩形波的周期，并把矩形波轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?，通過定時(shí)器延時(shí)輸出高低電平的起始時(shí)間，按鍵選擇延時(shí)大小，根據(jù)延時(shí)便可計(jì)算出相移的大小，此方案準(zhǔn)確度高，但易受環(huán)境噪聲的影響 ,且軟件工作量大，因此不選用此方案。 方案二：采用低通濾波電路作為移相電路，利用RC電路，可以連續(xù)調(diào)節(jié)相位接近180度，設(shè)計(jì)兩階RC電路可使相位調(diào)整到360度，電路比較簡(jiǎn)單，性能較穩(wěn)定，且減小了軟件的工作量，因此選用方案二。1.1.3 帶通濾波器電路 方案一：采用橢

6、圓帶通濾波器，理論上橢圓濾波器可以實(shí)現(xiàn)窄帶濾波，但通帶和阻帶內(nèi)有起伏，對(duì)器件參數(shù)的靈敏度較高，參數(shù)調(diào)節(jié)較困難。因此不選用此方案。 方案二：利用多階低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，得到帶通濾波器，通帶比較平坦，且電路設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單。但該方案需要使用運(yùn)放較多，器件較多，整體參數(shù)不易控制。故不選用此方案。 方案三：采用雙放大器帶通（DABP）濾波器，結(jié)構(gòu)對(duì)于要求高Q和高頻的設(shè)計(jì)十分有用。其元件靈敏度低，原件擴(kuò)散度低。這種電路的一個(gè)有用特性是，其Q和諧振頻率可在一定程度上獨(dú)立調(diào)節(jié)。而且電路結(jié)構(gòu)典型模塊化，便于使用。因此選用方案三。1.2 方案描述 系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)由純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、加法器、交流四級(jí)

7、放大器、觸發(fā)整形電路、移相電路、相敏檢波器、低通濾波器和直流放大電路組成。利用同相加法器在原始信號(hào)中加入噪聲，經(jīng)過四級(jí)放大電路獲得信號(hào)x1(t)，x1(t)經(jīng)過帶通濾波器獲得信號(hào)x(t)，參考信號(hào)R(t)經(jīng)過移相電路和觸發(fā)整形電路獲得方波，方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)乘法器獲得x(t)的直流電壓，然后經(jīng)過低通濾波器和直流放大電路，使單片機(jī)能夠采樣并在液晶屏上顯示原始信號(hào)的幅值。由于移相電路采用的是RC電路，只對(duì)單一頻率移相，方波信號(hào)諧波較多，若觸發(fā)整形電路在前，移相電路在后，則方波的移相會(huì)出現(xiàn)失真，故采用移相電路在前，觸發(fā)整形電路在后。圖1 系統(tǒng)框圖2 理論分析與計(jì)算2.1 四級(jí)放大電路利用運(yùn)放的基本的運(yùn)

8、放電路如附圖1；放大倍數(shù)為（1+Rf /R）,通過合理的設(shè)置Rf和R獲得相應(yīng)的放大倍數(shù)，在此電路中，繼電器實(shí)現(xiàn)選檔功能，當(dāng)輸入電壓較低的時(shí)，第四級(jí)放大不接入，否則接入第四級(jí)放大。2.2 相敏檢波器電路相敏檢波電路采用開關(guān)乘法器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同頻同相時(shí)，相敏檢波器相當(dāng)于全波整流電路，此時(shí)檢波輸出最大。圖2為相敏檢波器的基本框圖。圖2 相敏檢波器基本框圖 工作原理如下：設(shè)輸入信號(hào)為。參考輸入r(t)幅度為的方波，周期為T,角頻率為2/T,根據(jù)傅里葉分析的方法，可得r(t)的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為 (1) 相敏檢波器的輸出為 (2)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，n>

9、;1的差頻項(xiàng)及所有的和頻項(xiàng)均被濾除，只剩n=1的差頻項(xiàng)為 up(t)=2VsVrcos/ (3) 當(dāng)方波幅度Vr=1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)r(t)為+1時(shí)，電子開關(guān)的輸出連接到x(t);當(dāng)r(t)為-1時(shí)，電子開關(guān)的輸出連接到-x(t),這時(shí)LPF的輸出為 uo(t)=2Vscos/ (4)當(dāng)經(jīng)過開關(guān)乘法器時(shí)，角度之差為0，輸出信號(hào)最大。2.3 帶通濾波器電路此電路為諧振時(shí)增益為2的雙放大器帶通（DABP）濾波器電路，結(jié)構(gòu)對(duì)于要求高Q和高頻的設(shè)計(jì)十分有用。電路圖如圖3所示，諧振頻率可以按R2調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，則可針對(duì)Q調(diào)節(jié)R1。在一定程度上諧振頻率和Q可獨(dú)立調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)

10、高精度濾波。 圖3 雙放大器帶通濾波器選取C，R4=R5，R=，R1=QR，R2=R3=R，H(S)為放大系數(shù)，此濾波器的傳遞函數(shù)為 帶通濾波器的中心頻率F0=1000HZ，通頻帶fbw=1100-900=200HZ，品質(zhì)因數(shù)Q=5。3 電路與程序設(shè)計(jì)3.1 電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總電路圖如附圖4。3.1.1 交流放大電路設(shè)計(jì) 放大電路采用高精度、低噪聲運(yùn)放OPA4227，將微弱信號(hào)放大1000倍，其中三級(jí)電路均為同相放大電路，第一級(jí)放大2倍，第二級(jí)放大5倍，第三級(jí)放大10倍，第四級(jí)放大10倍，外圍電路電路簡(jiǎn)單，輸入阻抗高，共模抑制比較高，能有效抑制共模干擾，電路圖為附圖2。3.1.2 觸發(fā)整形電路設(shè)

11、計(jì) 由滯回比較器的特性知，運(yùn)放的同相輸入端相位與反向輸入端 ，當(dāng)輸入電壓uI增大或者減小到閾值電壓時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生躍變。電路圖如圖4所示。圖4 觸發(fā)整形電路3.1.3 帶通濾波器設(shè)計(jì) 利用雙放大器帶通濾波，輸入信號(hào)頻率為900Hz1100Hz，所需的品質(zhì)因數(shù)Q較高，帶通濾波器的通頻帶比較窄，通過上邊的理論分析可以得到 f0=1kHz fbw=200Hz (7)令C=10uF，R4=R5=1K,則由知R2=R3=R=160， R1=5R=800。電路圖如圖3所示。3.1.4 移相電路設(shè)計(jì) 通過簡(jiǎn)單的RC低通電路，一階電路的移相范圍為0180度，所以利用兩階RC可以得到0360度的移相范圍，通過

12、截止頻率設(shè)置好電阻電容的值。電路圖為附圖3。3.1.6 相敏檢波器設(shè)計(jì) 信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器的輸出信號(hào)經(jīng)過OPA4227獲得同相信號(hào)和反向信號(hào)，輸入到開關(guān)乘法器CD4053，用比較器得到的方波信號(hào)作為控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)CD4053，輸出得到信號(hào)的直流電壓，具體電路圖為圖5。圖5 相敏檢波器電路3.1.7 低通濾波器設(shè)計(jì) 經(jīng)過相敏檢波器獲得的信號(hào)經(jīng)過由OPA4227構(gòu)成低通濾波器，選擇電容為10uf，電阻為100K，算出截止頻率為1Hz。電路圖為圖6。圖6 低通濾波器電路3.2 程序設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)器間隔一定時(shí)間AD采樣，對(duì)采樣結(jié)果用加權(quán)平均法處理，當(dāng)前采樣值乘以權(quán)值0.8與上一次輸出結(jié)果乘以權(quán)值0.2

13、求和作為當(dāng)前輸出結(jié)果，每采樣50次在OLED上更新數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)前輸出結(jié)果和閾值進(jìn)行比較，控制MCU的IO口控制繼電器實(shí)現(xiàn)換擋，若是較小信號(hào)則經(jīng)過第四級(jí)放大，否則，為第三級(jí)放大輸出。程序流程圖如圖7所示。 圖7 程序流程圖4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1 測(cè)試儀器及測(cè)試方案 4.1.1測(cè)試儀器（見表1）4.1.2測(cè)試方案（1）從信號(hào)源輸出正弦波經(jīng)過分壓電路得到10uVrms的信號(hào)， 觀察信號(hào)經(jīng)過交流放大電路是否放大1000倍，波形是否失真；逐次將信號(hào)幅度增大到1000uVrms，繼續(xù)上述步驟。（2）從信號(hào)源接入正弦信號(hào)，觀察帶通濾波器的通頻帶，看信號(hào)有無(wú)明顯失真。（3）將帶通濾波器輸出的信號(hào)接入相敏

14、檢波器，觀察輸出信號(hào)是否為直流電壓。（4）觀測(cè)經(jīng)過單片機(jī)采樣處理后的輸出的數(shù)值與s(t)幅度是否一致。（5）將噪聲加入原始信號(hào)，繼續(xù)（1）、（2）、（3）步驟。4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)（1）測(cè)試被測(cè)信號(hào)的有效值，條件：f=1KHz ，輸入s(t)=10uVrms1000uVrms；無(wú)噪聲，如表2所示。（2）測(cè)試被測(cè)信號(hào)的有效值，條件：f=1KHz ，輸入s(t)=10uVrms1000uVrms。噪聲為1050Hz，如表3所示。（3）測(cè)試被測(cè)信號(hào)的有效值，條件：f=1KHz ，輸入s(t)=10uVrms1000uVrms。噪聲為1500Hz，如表4所示。（4）測(cè)試被測(cè)信號(hào)的有效值，條件：f=1KHz

15、 ，輸入s(t)=10uVrms1000uVrms。噪聲為2000Hz，如表5所示。（5）實(shí)測(cè)帶通濾波器的中心頻率為1010Hz，3dB范圍是910Hz1110Hz。4.3 測(cè)試結(jié)果分析 從以上表格分析知，被測(cè)信號(hào)的有效值檢測(cè)誤差都在5%以內(nèi)，通頻帶滿足要求，本系統(tǒng)能很好的從噪聲中檢測(cè)出微弱信號(hào)，很好的完成系統(tǒng)功能。5 結(jié)束語(yǔ) 本電路較好的完成了微弱信號(hào)的提取。通過本次設(shè)計(jì)，我們了解了鎖定放大器的工作原理，在電路設(shè)計(jì)的過程中，我們遇到了很多問題，通過小組成員間的交流最終得以解決。這讓我們深刻地體會(huì)到共同協(xié)作和團(tuán)隊(duì)精神的重要性，并且也從中提高了自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。附錄附圖1 基本運(yùn)放放

16、大電路附圖2 交流放大電路附圖3 移相電路附圖4 系統(tǒng)總電路圖表1測(cè)試儀器儀器型號(hào)混合信號(hào)數(shù)字示波器Agilent DSO-X 2002A程控直流電源MW MYWAYE MODEL:MPD3303臺(tái)式萬(wàn)用表UNI-T UT802任意波形發(fā)生器LVANG YB32020全自動(dòng)數(shù)字交流毫伏表YT1931表2 被測(cè)信號(hào)的有效值及誤差輸入（uVrms）1020401002004006008001000檢測(cè)（uVrms）10.2820.3240.2199.34202.4403.3598.3793.4992.3誤差2.80%1.60%0.53%0.66%1.20%0.83%0.28%0.83%0.77%表

17、3 被測(cè)信號(hào)的有效值及誤差輸入（uVrms）1020401002004006008001000S:N=1:1檢測(cè)10.3120.6140.3998.44204.4399.4594.4793.4988.4誤差3.10%3.05%0.98%1.56%2.20%0.15%0.93%0.83%1.16%S:N=1:10檢測(cè)10.4720.539.4995.76200.4411.2600.3785.5959.1誤差4.70%2.50%1.28%4.24%0.20%2.80%0.05%1.81%4.09%表4 被測(cè)信號(hào)的有效值及誤差輸入（uVrms）1020401002004006008001000S:N=1:1檢測(cè)10.3420.8640.7599.70204.4403.3600.3797.3990.4誤差3.40%4.30%1.88%0.30%2.20%0.83%0.05%0.34%0.96%S:N=1:10檢測(cè)10.4220.5040.2198.44200.4395.4590.5785.5976.6誤差4.20%2.50%0.53%1.56%