一種測量微弱信號的鎖定放大電路設(shè)計

1、第26卷第5期2002年10月武漢理工大學學報(交通科學與工程版)JournalofWuhanUniversityofTechnology(TransportationScience&Engineering)Vol.26No.5Oct.2002一種測量微弱信號的鎖定放大電路設(shè)計劉紅麗李昌禧(華中科技大學控制科學與工程系武漢430074)摘要:分析了基于相關(guān)技術(shù)測量微弱信號的鎖定放大電路的工作原理和各組成部分.針對非接觸式基于多磁場渦流效應(yīng)的DC微小電流傳感器,設(shè)計了一種實用的鎖定放大電路,并進行了實驗性研究.研究結(jié)果表明:采用了鎖定放大電路DC微小電流傳感器可直接測量1mA以下DC微小

2、電流,靈敏度可達20mV󰃗mA.鎖定放大電路不僅能測量周期信號,還能測量非周期信號,后者可通過調(diào)制的方法將其變成周期信號再進行測量.關(guān)鍵詞:微弱信號;鎖定放大電路;非接觸式中圖法分類號:TP274,關(guān)原理,來,起著檢測器和窄帶濾波的雙重作用.Tn(t)s2(t-)dt=2T-TRs1s2()+Rns2()=Rs1s2()(1)由于參考信號與噪聲不相關(guān),當時,Rns2()=0,因此互相關(guān)接收的只有輸入信號與參考信號的相關(guān)輸出,去掉了噪聲項,提高了輸出信噪比.互相關(guān)函數(shù)關(guān)鍵是兩函數(shù)相乘,即s1(t)×s2(t),通?？捎面i定放大電路中的相敏檢波器來完成.相敏檢波器相當于模

3、擬乘法器,其輸出是輸入信號和參考信號的乘積.在鎖定放大器中,參考信號只能是和待測信號同步的方波.設(shè)實驗研究用的非接觸式DC微小傳感器的輸出信號為帶噪聲的調(diào)幅正弦波Vi(t)=Eicosmtcos0t+n(t)Eicos(0+m)t+2(2)Eicos(0-m)t+n(t)2式中:m為調(diào)制頻率;0為載波頻率;Ei為幅值;1鎖定放大電路的工作原理1鎖定放大電路檢測微弱信號采用了互相關(guān)原理,利用參考信號與輸入的有用信號具有相關(guān)性,而參考信號與噪聲互不相關(guān),通過相敏檢波及低通濾波完成互相關(guān)運算,從而達到抑制噪聲的目的.互相關(guān)原理圖如圖1所示.=圖1互相關(guān)原理圖設(shè)輸入信號f1(t)=s1(t)+n(t)

4、式中:s1(t)為有用的輸入信號,n(t)為噪聲.參考信號f2(t)=s2(t)則二者的互相關(guān)函數(shù)為.n(t)為噪聲f(t)f(t-)dt=lims(t)s(t-)dt+2TR12()=limTT2TT-T12參考信號的傅氏級數(shù)表示式為VR=ERcos(2k+1)1t(3)k=02k+1式中:ER為方波的幅值;k=0,1,2,;1為方波基波頻率.T-T12收稿日期:20020613劉紅麗:女,34歲,講師,博士生,主要研究領(lǐng)域為傳感器和檢測技術(shù)620相敏檢波器的輸出為武漢理工大學學報(交通科學與工程版)2002年第26卷時,分出k=0次項,則式(4)為cos(20+m)t+cos(20-m)t

5、+2cosmtV01=ViVR=k=0cos0+m+(2k+1)V02=(2k+1)1t+k=0cos0+(2k+1)(5)m-(2k+1)1t+(2k+k=0cos0-1)1)cos0-由于載波頻率0遠大于被檢測信號的頻率m,在相敏檢波器的輸出端接一個低通濾波器LPF,可濾掉高次諧波成分和V02的前兩項,其輸(6)m+(2k+1)1t+m-(2k+k=0出電壓為調(diào)制信號,即V03(2k+1)1t+k=0×(2k+1)(4)=c󰃖cosmt式中:c為常數(shù).cos(2k+1)1tn(t)從式(4)可以看出,相敏檢波器的輸出項的最后項為零,前4項包含了信號頻率(0+m,0

6、-m)與全部方波基頻1的奇次諧波的和頻與差頻的大量諧波分量.在同步的情況下,相敏檢波器的諧波響應(yīng)與諧波數(shù)(2n+1)成反比.當輸入信號的載波頻率與參考信號頻率的基波相等,即0=12鎖定放大電路的組成.鎖3信號通道、參考通道其框圖如圖2.圖2鎖定放大器的簡化框圖信號通道由AC前置放大電路、帶通濾波電路及選頻放大電路組成.其作用是將伴有噪聲的輸入信號放大,并經(jīng)選頻放大對噪聲作初步處理.參考通道由方波發(fā)生電路和移相電路組成,其作用是提供一個與輸入信號同相的方波,調(diào)整移相電路使參考信號與有用信號相位一致,從而信噪比改善為最佳.相敏檢波的作用是對輸入信號和參考信號完成乘法運算,得到二者的和頻與差頻的諧波

7、信號,經(jīng)過低通濾波器濾掉高次諧波和高頻信號成分,這時的等效噪聲帶寬很窄,從而可以提取深埋在噪聲中的微弱信號.精密交直流轉(zhuǎn)換電路將低通濾波器輸出的交流信號轉(zhuǎn)換為直流電壓,便于測量和與計算機接口.3應(yīng)用舉例根據(jù)鎖定放大電路的工作原理及組成,針對非接觸式基于多磁場渦流效應(yīng)的DC微小電流傳感器2,設(shè)計了相應(yīng)的測量電路,并進行了實驗性研究.該傳感器的測量電路方框圖如圖3所示.正弦波發(fā)生電路采用高穩(wěn)定性的RC振蕩電路3,它們產(chǎn)生的調(diào)制信號fm和載波信號f0同圖3非接觸式基于多磁場渦流效應(yīng)的DC微小電流傳感器的測量電路第5期劉紅麗等:一種測量微弱信號的鎖定放大電路設(shè)計621時加在模擬乘法器MC1496的輸入

8、端,該乘法器輸出的調(diào)幅波電流信號i(t)經(jīng)功率放大器TDA2030放大后直接加在非接觸式基于多磁場渦流效應(yīng)DC微小電流傳感器的激勵繞組上.選擇載波頻率f0=3910Hz,調(diào)制頻率fm=391.Hz.傳感器的輸出為如式(2)所示帶噪聲調(diào)幅波調(diào)制信號的幅值與被測DC微小電流存在正比例的關(guān)系,只要檢測出被調(diào)制信號的幅值,便可得到被測的DC微小電流大小,從而達到測量的目的.前置放大器選擇高精度自穩(wěn)零斬波集成運算放大器ICL7650,其共模抑制比、電壓抑制比、上升速度和開環(huán)增益均很高,外接元件少,使用較靈活,適宜對微弱信號進行放大.晶振和分頻電路采用2M石英晶振與分頻器CC4020,產(chǎn)生方波信號,如式(

9、3)所示,方波頻率為7812kHz,與載波頻率相等.0°180°的移相電路使方波信號可在180°的范圍內(nèi)改變相位,與調(diào)幅波同相,使輸出信噪比最大.ADAD630.AD630的輸出電壓如式().低通濾波器的中心頻率選擇為391Hz,可很好地濾掉相敏檢波器輸出信號中的高次諧波和高頻信號,其輸出電壓如式(6).精密交2直流轉(zhuǎn)換電路由全波整流電路和濾波電容組成,其作用是將低通濾波器輸出的交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號,既便于用高精度的數(shù)字萬用表進行直接測量,也便于對微弱信號的智能化測量.表1是將上述電路應(yīng)用到非接觸式基于多磁場渦流效應(yīng)的DC微小電流傳感器上進行實驗性研究所得到的實

10、驗結(jié)果.實驗結(jié)果表明:該傳感器的靈敏度可達20mV󰃗mA,精度為0.05%.由此可見,這是一種高精度、實用的鎖定放大電路.表1DC微小電流傳感器采用鎖定放大器的實驗結(jié)果被測直流微小電流󰃗mA123456鎖定放大器輸出電壓󰃗mV20.31242.2462.5380.68100.28120.443結(jié)束語,它和,并變成相.,對于非周期性的電壓或電流信號,可通過調(diào)制方法將其調(diào)制成周期信號再進行測量.該電路還適用于其他一些微弱信號傳感器,根據(jù)傳感器輸出信號的頻率,只須改變正弦波發(fā)生電路以及方波發(fā)生電路的某些參數(shù)即可.參考文獻1曾慶勇.微弱信號檢測.杭州:浙

11、江大學出版社,1994.471052劉紅麗.一種非接觸式DC微小電流傳感器的研究.武漢交通科技大學學報,1998,22(3):2983003李瑞麟.高穩(wěn)定性的RC振蕩電路.電測與儀表,1992(9):3738DesignofLock2inAmplifierCircuittoMeasureWeakSignalLiuHongliLiChangxi(DepartmentofControlScience&Engineering,HUST,Wuhan430074)AbstractThispaperanalysestheoperatingprincipleandeverycomponentofal

12、ock2inamplifier(LIA)tomeasureweaksignaladoptingrelationtechnology.Beingaimedatanon2contacttypeDCweakcurrentsensoremployingmultifieldeddy2currenteffects,apracticalLIAisdesigned,andtheexperimentalre2searchesarecarriedon.TheexperimentalresultshowsthattheDCweakcurrentsensoradoptingLIAcanmeasureDCweakcurrentlessthan1mAdi