基于相關(guān)檢測的微弱信號放大電路設(shè)計

1、基于相關(guān)檢測的鎖定放大器的設(shè)計顏濤（509100318） 吳明贊（南京理工大學(xué) 江蘇 南京 210094）摘要：相干檢測技術(shù)是利用參考信號與有用信號具有相關(guān)性，而與噪聲互不相關(guān)的性質(zhì)，從而通過互相關(guān)系運算來削弱噪聲，達到提高信噪比的1種微弱信息檢測技術(shù)。相干檢測技術(shù)是眾多微弱信號檢測技術(shù)中能夠使信噪比改善最大，恢復(fù)信號原形的最佳技術(shù)。關(guān)鍵詞：微弱信號，相干檢測，鎖定放大Correlation-based detection of the design of lock-in amplifierYan Tao Wu Mingzan(School of Automation,NUST,Nanjing

2、210094,China)Abstract: The coherent detection technology is the use of the reference signal and the useful signal has correlation with the nature of the noise unrelated to the relationship among the operations to weaken through the noise, to improve the signal to noise ratio of 1 kinds of weak infor

3、mation detection technology. Coherent detection technology is the large number of weak signal detection technology that can make the greatest signal to noise ratio to improve and restore the signal prototype of the best technology.Key words: weak signal, coherent detection, Lock-in Amplifier 1 引言微弱信

4、號是指深埋在背景噪聲中的極其微弱的有用信號。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，被噪聲掩蓋的各種微弱信號的檢測(如、弱光、微溫差、微振動、弱磁、微電流等)愈來愈受到人們的重視。而對于眾多的微弱量一般都通過各種傳感器、放大器作非電量轉(zhuǎn)換的，使檢測對象變換成可測的電量。但微弱檢測本身的漲落，以及傳感器的優(yōu)劣與檢測系統(tǒng)的噪聲影響，從而影響總的檢測效果。目前，相干檢測技術(shù)是使信噪比改善最大，恢復(fù)信號原形最佳的技術(shù)，同時也是眾多檢測技術(shù)中最成熟的技術(shù)。鎖相放大器是在50年代發(fā)展起來的相敏檢波器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型微弱光電信號檢測儀器，它用于測量深埋在噪聲或直流漂移中極其微弱的光電信號，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中得到越

5、來越廣泛的應(yīng)用。本文在分析鎖相放大器的電路構(gòu)成、工作原理和設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，本著精確、實用、穩(wěn)定、節(jié)約開支的原則，提出鎖相放大器各部分的設(shè)計思路，并由此研制了一款便于自制的鎖相放大器。2 鎖定放大原理鎖相放大器采用的是外差式振蕩技術(shù)，它把被測量的信號通過頻率變換的方式轉(zhuǎn)變成為直流。即利用鎖相放大器中的信號相關(guān)原理，對兩個混有噪聲的周期信號進行相乘和積分處理后,將信號從噪聲中檢測出來，并達到通過互相關(guān)運算削弱噪聲影響的目的。設(shè)是伴有噪聲的周期信號,即:X(t) = S(t) +N ( t) = 其中，N(t)為隨機噪聲， S(t)為有用信號，A為其幅值，角頻率為，初相角為。參考正弦信號為: Y

6、( t) = 其中，B 為其幅值，是時間位移，為隨機噪聲。則兩者的相關(guān)函數(shù)為： 由于在被測量的信號里所包含的各種信號分量中,參考信號Y(t)的頻率只與輸入的有用信號頻率相關(guān)，與隨機噪聲N( t)的頻率不相關(guān)，且有用信號S ( t)與隨機噪聲之間及噪聲與噪聲之間的頻率也均相互獨立，所以它們的相關(guān)函數(shù)為零，即=0。于是，就有 。從而,令鎖相放大器實現(xiàn)了從噪聲中提取有用信號的目的。理論上已證明，當信號的頻率和相位已知，采用相干檢測技術(shù)能使輸出信噪比達到最大。3 鎖相放大器結(jié)構(gòu)分析鎖定放大器一種利用相關(guān)檢測技術(shù)實現(xiàn)微弱信號檢測的儀器，它能精確測量被掩埋在噪聲中的微弱信號。鎖相放大器的輸入為正弦波或方波

7、交流信號，其輸出為正比于輸入波形幅值的直流信號。鎖定放大器的基本組成如圖（1），包括信號通道、參考通道、相敏檢測器（PSD）和低通濾波器（LPF）等。信號輸入前置放大及濾波處理相敏檢波低通濾波參考信號輸入移相直流放大信號輸出圖（1）鎖定放大電路的工作原理（1）信號通道對輸入信號進行交流放大，將微弱信號放大到足以推動相敏檢測器工作的電平，并且要濾除部分干擾和噪聲，以提高相敏檢測的動態(tài)范圍。（2）參考通道的功能是為相敏檢測器提供與被測信號相干的控制信號，故參考輸入必須是與被測信號相關(guān)的同頻信號。參考通道的輸出r(t)可以是正弦波，也可以是方波，但為了防止r(t)的幅度漂移影響鎖定放大器的輸出精度，

8、r(t)最好采用采用占空比為50%的方波開關(guān)信號，用電子開關(guān)實現(xiàn)相敏檢測。（3）相敏檢波器的輸出通過低通濾波器壓縮帶寬，大量的寬帶噪聲被濾除，使鎖相放大器具有很強的抑制噪聲能力。鎖相放大器的通帶寬度取決于低通濾波器的時間常數(shù)，時間常數(shù)越長，帶寬越窄，對信噪比的改善也就越高。信噪比的改善與時間常數(shù)的平方根成正比。為使LPF的輸出滿足要求，常常使用直流放大器對其輸出進行放大。簡言之鎖相放大器就是將深埋在噪聲中特定頻率的微弱信號提取出來并進行放大。4 具體電路設(shè)計及分析4.1前置放大電路紅外信號檢測的前置低噪聲放大濾波電路如圖（2）。OPA27是一種低噪聲精密集成運算放大器，具有共模抑制能力和電源噪

9、聲抑制能力強以及高穩(wěn)定、低失調(diào)、超低噪聲等特點。紅外傳感器輸出的微弱電信號經(jīng)耦合電容C（濾除直流電壓）加之OPA27的同相輸入端經(jīng)低噪聲放大及濾波后輸出。為達到高性能電阻應(yīng)選用金屬膜電阻器，電容應(yīng)選用云母電容器。其截止頻率約為170HZ。為防止因噪聲過大而使后級PSD過載這里其放大倍數(shù)增益設(shè)計為可調(diào)11100倍。 圖（2）前置低噪聲濾波放大電路 4.2參考頻率產(chǎn)生電路由于紅外傳感器輸出為頻率固定的60HZ的方波，可選用555時基電路構(gòu)成方波發(fā)生器產(chǎn)生頻率為方波，作為參考信號的輸入。其電路如圖（3）輸出高電平時間tH和低電平時間tL的計算方法如下： tH= 0.693(RA+ RB)CtL= 0

10、.693RBC周期= tH+ tL= 0.693 (RA+ 2RB)C圖（3）參考信號產(chǎn)生電路經(jīng)計算這里選取C=1uF，RA=0.1K,RB=12K.其輸出頻率為 f=1/(0.693*(RA+2RB)*C)=60HZ4.3鎖相電路鎖相環(huán)CD4046為數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)芯片，內(nèi)有兩個PD、VCO、緩沖放大器、輸入信號放大與整形電路、內(nèi)部穩(wěn)壓器等。它具有電源電壓范圍寬、功耗低、輸入阻抗高等優(yōu)點，其工作頻率達1MHz，內(nèi)部VCO 產(chǎn)生50% 占空比的方波。鎖相環(huán)CD4046的一個重要功能是：內(nèi)部壓迫、控振蕩器的輸出信號從第4腳輸出后引至第3腳輸入，與從第14腳輸入的外部基準頻率信號和相位的比較。

11、當兩者頻率相同時同，壓控振蕩器的頻率能自動調(diào)整，直到與基準頻率相同。4.4相敏檢波器采用AD630組成電子開關(guān)式相敏檢測器。其電路組成如圖（5）。參考方波信號有CD4046產(chǎn)生，待測信號有引腳1輸入，參考方波信號有鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)，經(jīng)相關(guān)運算后有13引腳輸出。4.5 低通濾波電路相敏檢測輸出經(jīng)低通濾波器得到所需直流信號，再經(jīng)直流放大調(diào)整是輸出滿足系統(tǒng)增益要求。其電路如圖（6）。相敏檢測的輸出信號經(jīng)U1A實現(xiàn)低通窄帶濾波及放大，濾除和頻交流分量得到直流輸出，其直流放大倍數(shù)為11，截止頻率=16HZ。而后經(jīng)電容C2平滑使其輸出穩(wěn)定的直流信號經(jīng)可調(diào)增益放大器U2A做進一步后續(xù)處理。其總的增益調(diào)

12、節(jié)范圍為11220。圖（4）參考信號鎖定輸出電路圖（5）相敏檢波電路圖（6）低通濾波及直流放大電路4.6總體性能估計系統(tǒng)總體電路原理圖見附錄。此電路做到其輸出增益可調(diào)（110020000倍放大），動態(tài)范圍大，測量靈敏度高能將幾十微伏的微弱信號進行精確提取放大。此電路針對特定頻率的傳感器信號（即輸出60HZ）進行設(shè)計，故其頻率特性不滿足的傳感器信號無效。因為IC鎖相環(huán)CD4046具有自動捕捉輸入信號頻率的功能，故為改善其測量使用范圍可將CD4046的輸入端接至前置放大器的輸出端使其自動跟蹤所測信號頻率，實現(xiàn)輸入可調(diào)放大，此時。在這種情況下當噪聲比較嚴重時其輸出性能可能會有所下降。5 在鎖相放大器

13、的應(yīng)用中需要考慮的若干問題1LIA的功能相當于一種抑制噪聲能力很強的交流電壓表，其輸入是正弦波或方波交流信號，輸出是正比于輸入波形幅值的直流信號。如果被測信號不是交流信號，則需要用調(diào)制或斬波的方式將其變換成交流信號。2L IA的參考信號輸入必須是與被測信號相關(guān)的同頻信號。如果確實不能獲得合適的同頻參考信號，則可用鎖相環(huán)進行自動頻率跟蹤檢測。3L IA的信號輸入前置級放大器工作參數(shù)的選擇，必須根據(jù)放大器的噪聲因子，在給定的工作頻率下進行輸入電阻匹配，以獲得最佳噪聲特性。6 結(jié)束語鎖相放大器是一種高性能的通用測量儀器，它能精確地測量被掩埋在噪音中的微弱信號。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在電子學(xué)、信息科

14、學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、低溫物理等許多領(lǐng)域,越來越需要測量深埋在噪音中的微弱信號。本文介紹了一種低成本，靈活性高的鎖相器。參考文獻1 高晉占.微弱信號檢測.清華大學(xué)出版社.2004.112 陳銀根.微弱信號檢測技術(shù)的研究.江西科學(xué)22(3).2004.83 劉鐵軍,王保良等一種工作頻率可調(diào)的鎖定放大電路在液體微弱電導(dǎo)測量中的應(yīng)用.傳感技術(shù)學(xué)報19（2），2006.44 施風(fēng)榮.鎖相放大器的設(shè)計.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報7(3).2007.95 朱虹,林君.參考信號頻率自調(diào)整的鎖定放大器的設(shè)計應(yīng)用.儀器儀表學(xué)報25(4).2004.86 鄭君里.信號與系統(tǒng)M.北京:高等教育出版社,2001.7 王松武.電子儀器原理與應(yīng)用M.哈爾濱:哈爾濱工程出版社,2001.8 宋啟峰.電子測量技術(shù)M.重慶:重慶大學(xué)出版社, 2000.9 TRohe, W Beeker. A reyetal. J.Near Infrare