2014年遼寧省TI杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽C題鎖定放大器設(shè)計報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)2014年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽題C題：鎖定放大器的設(shè)計設(shè)計報告摘 要本作品基于鎖定放大器設(shè)計，由前級放大模塊,帶通濾波器模塊，相敏檢波模塊，觸發(fā)整形模塊和單片機(jī)顯示模塊組成，具有微弱信號鎖定放大功能。在前級放大電路中，信號發(fā)生器經(jīng)過分壓網(wǎng)絡(luò)得到交流放大器的信號來源。信號通過帶通濾波器，加上參考通道得到的方波，一起輸入到相敏檢波電路，得到整流波形，經(jīng)過低通濾波器，得到變化極其緩慢的直流信號，經(jīng)過單片機(jī)顯示。本作品進(jìn)行合理的級聯(lián)和阻抗匹配，加入單片機(jī)設(shè)計的示波器顯示，從

2、而得到一個完整的鎖定放大器系統(tǒng)。而且綜合應(yīng)用了電容去耦、濾波、旁路電容等抗干擾措施以減少放大器的噪聲干擾。關(guān)鍵詞： 分壓網(wǎng)絡(luò) 交流放大器 相敏檢波 觸發(fā)整形 示波器一、總體方案設(shè)計1.1 系統(tǒng)總體方案根據(jù)題目要求如圖1，要求系統(tǒng)分為三大部分：第一部分信號通道，實現(xiàn)對信號的放大，去噪。第二部分為參考通道，通過移相器和比較器，得到方波。第三部分為檢波電路，得到信號幅值，并顯示。圖1 鎖定放大器基本組成結(jié)構(gòu)框圖圖2 系統(tǒng)方案框圖本方案系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，系統(tǒng)由加法器、衰減器、前置放大電路、帶通濾波器、同相電路、反相電路、移相器、開關(guān)電路和低通濾波器構(gòu)成；其中由同相放大電路構(gòu)成的加法器將噪聲信號加

3、到待測信號中，使得信號湮滅在噪聲中，然后經(jīng)過衰減器衰減100倍以上，送到由放大電路、帶通濾波、同相、反相、移相、比較和低通濾波器構(gòu)成微信號檢測電路中。本系統(tǒng)以相敏檢波器為核心，將參考信號經(jīng)過移相電路和比較器輸出方波驅(qū)動開關(guān)管乘法器，輸出直流信號然后通過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，最后在液晶上顯示出來。1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計論證1.2.1 微信號放大設(shè)計本題目要求采用鎖相放大器檢測小信號，噪聲強(qiáng)、信號弱，是鎖相放大器的工作情況，對此，我們要采用低噪聲的精密放大運(yùn)算放大器OPA2376。前段放大電路需要有足夠的放大倍數(shù)，來保證信號的采集。對此，本方案采用了放大60dBde的設(shè)計，以期達(dá)到設(shè)計需求。1.2.2

4、移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計本題移相網(wǎng)絡(luò)有全通濾波器模擬移相電路和數(shù)字步進(jìn)移相兩種方法可以選擇。，一階全通濾波器的移相范圍接近180度，所以通過設(shè)計兩級濾波則可使移相范圍達(dá)到360度。數(shù)字移相由于單片機(jī)基礎(chǔ)薄弱，而且單片機(jī)具有天生的相位誤差存在，所以選擇模擬移相電路方案。1.2.3 相敏檢波設(shè)計鎖相放大器對于噪聲的抑制能力，低通濾波器（LPF）的截止頻率來確定的。 例如， 在測量 10kHz的信號時，如果使用 1mHz 的低通濾波器（LPF），那么就等效于在使用 10kHz1mHz 的帶通濾波器時的噪聲抑制能力。如同前面所解說的那樣，在使用通頻帶非常狹窄的帶通濾波器（BPF）時，如果其中心頻率與被測量信號的頻

5、率有所偏離，那么就會產(chǎn)生測量誤差，最糟糕的情況下可能會把被測量信號也濾除了。與這種情況相比較，對于鎖相放大器來說，即使低通濾波器的截止頻率多少有些偏離，只要還能夠讓直流通過，那么對測量結(jié)果也不會有大的影響。與帶通濾波器相比較，鎖相放大器更容易實現(xiàn)通頻帶非常狹窄的低通濾波器，不管通頻帶多么狹窄都能實現(xiàn)。由此可見，鎖相放大器具有強(qiáng)大的能力從噪聲中檢測出被掩埋的信號。頻率變換是通過乘法運(yùn)算來進(jìn)行的。一般的乘法運(yùn)算模擬電路，其線性程度和溫度穩(wěn)定性都存在問題。所以，在實際的鎖相放大器中，采用開關(guān)元件進(jìn)行同步檢波，由此實現(xiàn)頻率變換。由開關(guān)元件所進(jìn)行的同步檢波電路，稱作 PSD（相敏檢波器，Phase Se

6、nsitive Detector）,這是組成鎖相放大器的心臟部分。二、理論分析與參數(shù)計算2.1 鎖相放大器原理隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，存在著大量淹沒在噪聲背景中的微弱信號需要檢測。微弱信號檢測技術(shù)已成為深化認(rèn)識自然，探索新材料，創(chuàng)造新器件的重要工具。微弱信號檢測這種專用技術(shù)，最根本的目的是改善信噪比。當(dāng)信號頻率和相位已知時，可以證明：采用相干檢測技術(shù)能使信噪比改善最大，并是恢復(fù)信號幅度的最佳技術(shù)。實際測量一個被測量時，無用的噪聲和干擾總是伴隨出現(xiàn)，影響了測量的精確性和靈敏度。特別是當(dāng)噪聲功率超過待測信號功率時，就需要用微弱信號檢測儀器和設(shè)備來恢復(fù)或檢測原信號。這些檢測儀器是根據(jù)改進(jìn)信噪比的原

7、則設(shè)計和制作的，即鎖定放大器。鎖相放大器由信號通道、參考通道、相敏檢波器以及輸出電路組成，是一種對交變信號進(jìn)行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻、同相的噪聲分量有響應(yīng)。所以它能大幅度抑制噪聲信號，提取出有用信號。一般鎖相放大器具有極高的放大倍數(shù)，若有輔助前置放大器，增益可達(dá)220dB，能檢測極微弱信號交流輸入、直流輸出，其直流輸出電壓正比于輸入信號幅度及被測信號與參考信號相位差。由此可見，鎖相放大器具有極強(qiáng)的抗噪聲能力。它和一般的帶通放大器不同，輸出信號并不是輸入信號的放大，而是把交流信號放大并變成相應(yīng)的直流信號。

8、鎖相放大器不容易受到噪聲影響的原因，是因為很好地利用了噪聲（白噪聲）與目的信號（正弦波）之間在性質(zhì)上的差別。2.2 相敏檢波器分析相敏檢波器分為模擬乘法器和開關(guān)式乘法器，本設(shè)計采用開關(guān)式乘法器。相敏檢波器（PSD）的本質(zhì)其實就是對兩個信號之間的相位進(jìn)行檢波，當(dāng)兩個信號同頻同相時，這時相敏檢波器相當(dāng)于全波整流，檢波的輸出最大。工作過程如下：設(shè)輸入信號為。參考輸入時幅度為的方波，其周期為，角頻率為，根據(jù)傅里葉分析的方法，這種周期性函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)可得的傅里葉級數(shù)表示式為上式右邊第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過LPF的濾波作用，的差頻項及所有的和頻項均被濾除，只剩的差頻項為當(dāng)方波幅度時，

9、可以利用電子開關(guān)實現(xiàn)方波信號的相乘過程，即當(dāng)為時，電子開關(guān)的輸出連接到；當(dāng)為時，電子開關(guān)的輸出連接到，這時LPF的輸出為當(dāng)經(jīng)過開關(guān)乘法器，角度之差為0時，輸出信號最大。 2.3 移相網(wǎng)絡(luò)因為輸出信號與信號的相位差有關(guān)，所以必須加入移相網(wǎng)絡(luò)。移相是指兩種同頻的信號，以其中一路為參考，另一路相對于該參考做超前或滯后的移動，即稱為相位的移動。由方案論證得，本設(shè)計采用模擬移相電路。模擬移相電路其實就是一個全通濾波電路，它的放大倍數(shù)Au=（-1+jwRC）/(1+jwRC)，寫成模和相角的形式為：|Au|=1,=180-2arctan（f/f0），其中f0=1/（2RC）。每個濾波器相移范圍均接近180

10、，所以本設(shè)計采用2個一階全通濾波器串聯(lián)，使得整個移相電路能做到接近360的相移范圍。2.4 噪聲與干擾2.4.1 噪聲與干擾來源分類通常把由于材料或器件的物理原因產(chǎn)生的擾動稱為噪聲。把來自外部的原因的擾動稱為干擾，有一定的規(guī)律性，可以減少或消除。鎖定放大器要解決的就是如何在很強(qiáng)的外部干擾環(huán)境中檢測弱信號。寬帶的或持續(xù)的無用信號：噪聲。瞬時的或窄帶的無用信號：市電50Hz或100Hz（整流等）；電臺；開關(guān)通/斷；高能量的脈沖電流或電壓；機(jī)械振動；太陽活動；雷電等2.4.2 噪聲的屏蔽電容性偶合：降低電路的阻抗，在噪聲源與信號線之間建立導(dǎo)電屏障，屏障接地。例屏蔽線，銅罩殼等。電感性偶合：減少回路面

11、積，用鐵磁性物質(zhì)包圍噪聲源。例如，變壓器的外殼，雙絞線。接大地：消除電位差；消靜電。接信號地：信號的公共點，提供信號回路，減少阻抗。1MHz低頻以下可采用一點接地，10MHz以上高頻可采用大面積多點接地。還要注意區(qū)分模擬地和數(shù)字地。三、電路設(shè)計3.1信號通道3.1.1純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分壓采用直接電阻分壓即可獲得1000倍以上的分壓，為了獲得較好的分壓結(jié)果，R1、R2均采用精密電阻，并用跟隨器斷開與加法器的連接，使分壓更加精確，電路圖如圖3：圖3 分壓網(wǎng)絡(luò)原理圖3.1.2加法器加法器采用差分放大器INA2134，無需外接電阻，即可做到,電路簡單可靠，電路圖如圖4：圖4 加法器原理圖3.1.3前級放

12、大電路模塊為了使微弱檢測電路的輸入阻抗1MHz，所以它的第一級為同相放大電路，則它的輸入阻抗至少大于1MHz，采用兩片INA128作為運(yùn)放放大100倍，INA128的放大倍數(shù)，所以第一級放大6倍，第二級放大16倍，選擇電阻RG分別為10K，3.3K；INA128外圍電路簡單，輸入阻抗高，并且有效抑制共模干擾，電路圖如圖5：圖5 交流放大原理圖3.1.4帶通濾波器輸入信號的頻率要求為1K，而且信號通道的3dB頻帶范圍為900Hz1100Hz。誤差小于20%。如圖6所示：圖6 帶通濾波器原理圖3.1.5移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計因為元器件本身的固有特性，移相達(dá)到180有一定的困難，所以采用兩級串聯(lián)的移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

13、，從而使移相能力接近360。如圖7：圖7 移相網(wǎng)絡(luò)原理圖3.1.6 過零比較器本設(shè)計采用LM311設(shè)計過零比較器實現(xiàn)方波到正弦波的轉(zhuǎn)換。如圖8：圖8 比較器原理圖3.1.7 相敏檢波器帶通濾波器的輸出同時經(jīng)過同相和反相跟隨器后，輸入到模擬開關(guān)TS5A3159DBVR；然后另一路將參考電源先經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)，然后經(jīng)過用LM311構(gòu)成的單限過零比較器，得到方波去驅(qū)動TS5A3159DBVR，。如圖9：圖9 相敏檢波原理圖3.1.8低通濾波器相敏檢波的輸出最后經(jīng)過由OPA2376構(gòu)成的可調(diào)低通濾波器，該濾波器的R=1MHz，C=1u，算出截止頻率為1Hz，能夠達(dá)到濾波的效果，具體電路為圖10：圖10 L

14、PF原理圖3.2 單片機(jī)程序設(shè)計低通濾波的輸出交由AD采集模塊，差分模式進(jìn)行采集，經(jīng)過計算，最后通過擴(kuò)展液晶進(jìn)行實時顯示。圖11 顯示電路原理框圖3.2.1 測量結(jié)果顯示為了提高測量精度，除了采用多次A/D取平均以外，還在程序中加入了電壓校準(zhǔn)模塊。因為是對微小信號的檢查，不同幅度段的信號的比值可能會因為幅度的大小而不同，故對不同幅值的小信號采用不同的電壓校準(zhǔn)，由原理知輸出和輸入電壓之間有一個定值的比例，會隨相位不同而不同，故每次可根據(jù)要測量的信號范圍調(diào)節(jié)相位，使比例值最大，最終根據(jù)得到的標(biāo)定系數(shù)結(jié)合加權(quán)平均的結(jié)果計算出最終的測量值，送到液晶顯示。四、系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)分析無噪聲“無衰減輸入-輸出幅

15、值”測試記錄表輸入mv5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 輸出mV198818841686146612531041827.6輸入mv1750 1500 1250 1000 950 900 850 輸出mV720.2614.3509.6408.1383.7362.6341.8輸入 mv800 750 700 650 600 550 500 輸出 mV320.8300.2279.6259.7238.8218.5199.7輸入 mv450 400 350 300 250 200 180 輸出 mV177.8157.4137.3117.397.477.6969.51輸

16、入 mv150 120 100 80 50 輸出 mV57.7846.0538.2330.3118.65輸入 mv40 30 20 10 輸出 mV14.6710.786.672.24無噪聲“無衰減輸入-輸出幅值”對應(yīng)圖 200uV基準(zhǔn)電壓下無噪聲測量顯示表微弱信號（uV）測量顯示（uV）誤差（%）微弱信號uV測量顯示uV誤差（%）1000991.70.83 110106.13.55 900919.72.19 10096.53.50 800815.61.95 9086.63.78 700710.61.51 8076.84.00 600606.51.08 7067.14.14 500503.50

17、.70 6057.34.50 400399.50.13 5047.74.60 350348.30.49 4038.14.75 300297.10.97 3634.25.00 250246.51.40 3028.55.00 200196.11.95 2422.75.42 190185.82.21 2018.86.00 180175.72.39 1615.15.63 170165.52.65 109.336.70 160155.52.81 87.447.00 150145.33.13 65.537.83 140135.33.36 43.5511.25 130125.83.23 21.2935.50

18、 120115.73.58 由數(shù)據(jù)表和直線圖可以看出，測試結(jié)果基本符合線性關(guān)系，而用分段幅值檢測方法，可以減小誤差；而即使沒有分段測試，均在200uV的基準(zhǔn)電壓下測試，結(jié)果誤差在10%內(nèi)，還是完全符合題目要求。,在90uV基準(zhǔn)電壓下加噪聲測試表加噪頻率1:1測量顯示誤差（%）1:10測量顯示誤差（%）105091.92.11 85.25.33 110092.52.78 88.71.44 115092.52.78 89.80.22 120091.61.78 90.80.89 125090.70.78 90.91.00 130090.30.33 90.20.22 135090.10.11 89.4

19、0.67 140089.80.22 89.40.67 145089.80.22 89.40.67 150089.70.33 89.40.67 155089.70.33 89.30.78 160089.80.22 89.40.67 165089.70.33 89.40.67 170089.70.33 89.40.67 175089.70.33 89.30.78 180089.70.33 89.40.67 185089.70.33 89.40.67 190089.70.33 89.40.67 195089.70.33 89.40.67 200089.70.33 89.30.78 205089.70.33 89.40.67 210089.70.33 89.40.67 噪