鎖相增益放大電路設(shè)計(jì)

摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使測量技術(shù)得到日趨完善的發(fā)展，同時(shí)也提出更高要求。尤其是一些極端條件下的測量已成為現(xiàn)代認(rèn)識(shí)自然的主要手段，由于微弱信號(hào)檢測(weaksignaldetection)能測量傳統(tǒng)觀念認(rèn)為不能測量的微弱量，所以才獲得迅速的發(fā)展和普遍的重視，微弱信號(hào)檢測已逐漸形成一門邊緣學(xué)科學(xué)。鎖相放大器(lock－in.Amplifier簡稱LIA)就是檢測淹沒在噪聲中的微弱信號(hào)的儀器，它可用于測量交流信號(hào)的幅度和相位，有極強(qiáng)的抑制干擾和噪聲的能力，有極高的靈敏度，可測量毫微伏量級(jí)的微弱信號(hào)，自1962年美國PARC第一個(gè)相干檢測的鎖相放大器問世以來，鎖相放大器有了迅速的發(fā)展，性能指標(biāo)有了很大的提高，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的很多領(lǐng)域。關(guān)鍵字：鎖相增益放大器微弱信號(hào)AbstractAlongwithscienee'sandtechnology'sdevelopment,enablesthemeasuringtechniquetoobtaindaybydaytheconsummationdevelopment,simultaneouslyalsosetsahigherrequest.Especiallyundersomeextremecondition'ssurveyhasbecomethemodernunderstandingnaturalprincipalmeansthatbecausetheweaksignaldetection(weaksignaldetection)cansurveythetraditionalideastothinkcannotsurveyweakquantity,thereforeonlythenobtainstherapiddevelopmentandtheuniversalvalue,theweaksignaldetectionhasformedanedgestudyscieneegradually.Phase—lockamplifier(lock—.AmplifieriscalledLIA)isexaminesthesubmergeneeinthenoiseweaksignalinstrument,itmayuseinsurveyingtheexchangesignalthescopeandthephase,hasthegreatlystrengthenedbarragejammingandnoiseability,hastheextremelyhighsensitivity,themeasurablequantitymillimicrobendingdownmagnitude'sweaksignal,theAmericanPARCfirstcoherentdetection'sphase—lockamplifierhasbeenpublishedsince1962,thephase—lockamplifierhastherapiddevelopment,theperformaneeindexhadtheverybigenhancement,widelywasalreadyappliedinscieneeandtechnologymanydomains.Keyword：Thephase—lockenlargesthecurriculumprojectbeautyTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"前言 11、 鎖相增益放大電路技術(shù)指標(biāo)及基本原理 2\o"CurrentDocument"1.1方案技術(shù)指標(biāo) 2

\o"CurrentDocument"1.2鎖相放大器的基本原理 2\o"CurrentDocument"2、 鎖相增益放大電路方案設(shè)計(jì) 2\o"CurrentDocument"2.1鎖相增益放大電路 3\o"CurrentDocument"2.2整形電路 3\o"CurrentDocument"集成芯片CD4046 4\o"CurrentDocument"相敏檢波器DG201 4\o"CurrentDocument"信號(hào)通道 5\o"CurrentDocument"參考通道 5\o"CurrentDocument"鎖相放大器對(duì)噪聲的抑制 6\o"CurrentDocument"2.5.1等效噪聲帶寬 6\o"CurrentDocument"2.5.2信噪比改善（SNIR） 8\o"CurrentDocument"2.5.3鎖相放大器的噪聲 8\o"CurrentDocument"動(dòng)態(tài)范圍和動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備 9\o"CurrentDocument"3、 鎖相增益放大電路測試 10\o"CurrentDocument"4、 總結(jié)與體會(huì) 11\o"CurrentDocument"5、 原器件清單 12\o"CurrentDocument"6、 參考文獻(xiàn) 13\o"CurrentDocument"附一 14前言——長期以來人們一直受到噪聲信號(hào)的干擾，這使得對(duì)于強(qiáng)噪聲中的微弱信號(hào)檢測的研究成為測量技術(shù)領(lǐng)域中的綜合技術(shù)與尖端領(lǐng)域。微弱ixnhao檢測技術(shù)（WeakSignalDetection）是采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號(hào)的特點(diǎn)和相關(guān)性，檢測被噪聲淹沒的游泳信號(hào)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微弱信號(hào)的檢測越來越重要，現(xiàn)已逐漸形成為專門的邊緣學(xué)科。微弱信號(hào)檢測方法是基于研究噪聲的規(guī)律（如噪聲幅度、頻率、相位等）和分析信號(hào)特點(diǎn)（如信號(hào)頻譜、相干性等）的基礎(chǔ)上的，然后利用一系列信號(hào)處理方法，來提取和測量強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)。鎖相放大電路（Lock-inAmplifier，簡寫為LIA）利用相關(guān)檢測技術(shù)，從而將深埋在大量的非相關(guān)噪聲中的微弱有用信號(hào)檢測出來，起著檢測器和窄帶濾波的雙重作用。它可用于測量微弱交流信號(hào)的幅度和位相，有較強(qiáng)的抑制干擾和噪聲的能力，有極高的靈敏度，在光譜學(xué)和環(huán)境學(xué)的微弱信號(hào)探測與采集中有著廣泛的應(yīng)用前景。比如，在光譜測量中往往需要測量很多通道的信號(hào)，在信號(hào)測量中采用鎖相放大器能夠大幅度的提高系統(tǒng)的抗干擾性能，但也存在明顯的不足之處；電路變得極其復(fù)雜、各通道的一致性難以保證、工藝性差等。=i1、=i1?1方案技術(shù)指標(biāo)1、 中心頻率lOOKHz,Q=50000BPF。2、 動(dòng)態(tài)增益120dB。3、 噪聲極限O.OO537op-p。1.2鎖相放大器的基本原理鎖相放大器(Lock-inAmplifier簡稱LIA)是以相關(guān)檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，利用互相關(guān)的原理設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測儀。它是一種對(duì)檢測信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備，利用參考信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相關(guān)，與噪聲頻率不相關(guān)，從而從噪聲中提取有用信號(hào)。它不同于一般的帶通放大器，它所輸出的信號(hào)并不是輸入信號(hào)的簡單放大，而是把交流分量放大并變成相應(yīng)的直流信號(hào)輸出。使用鎖相放大器是從強(qiáng)噪聲中提取弱信號(hào)的重要手段。可理解為:把待測信號(hào)中與參考信號(hào)同步的信號(hào)放大并檢測出來。一般鎖相放大器的組成分為三部分:信號(hào)通道、參考通道和相關(guān)器(相敏檢波器)。其核心部分是相敏檢波器(phase-sensitivedetector簡稱PSD)，它實(shí)際上是一個(gè)乘法器。輸入信號(hào)和參考信號(hào)分別加在相敏檢波器的兩個(gè)輸入端。圖1-1圖1-1鎖相放大器結(jié)構(gòu)框圖鎖相放大器的最基本原理是相關(guān)接收原理，在相關(guān)接收中，可以把兩個(gè)信號(hào)的函數(shù)fl(t)和鉉(t)的相關(guān)函數(shù)表示為：至-f二廠- -其中f2(t)為參考信號(hào)一 為測量信號(hào)，S(t)為需要檢測出來的信號(hào)，f2(t)與S(t)頻率相同。下面詳細(xì)討論這一原理是怎么具體應(yīng)用在鎖相放大器的設(shè)計(jì)上，鎖相放大器又是如何通過直接計(jì)算相關(guān)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)從噪聲中檢測淹沒信號(hào)的。2、鎖相增益放大電路方案設(shè)計(jì)2.1鎖相增益放大電路鎖相環(huán)放大器最初用于改善電視接收機(jī)的彳丁同步和幀同步,，以提高抗干擾能力.而，精密量測技術(shù)的發(fā)展，鎖相放大器是基于微弱信號(hào)的相關(guān)檢測原理，具有中心頻率穩(wěn)定,通頻帶窄，品質(zhì)因數(shù)高等特點(diǎn)。是一種頻率變換技術(shù)，給信號(hào)A乘以不同頻率的正弦波B,會(huì)產(chǎn)生它們的和與差的正弦波，即sinAxsinB=-C0S（A+B）-C0S（A一B）令B與A信號(hào)相同，則1-cos2AsmAxsmB=—可產(chǎn)生直流和2倍交流信號(hào)，如引入相位和頻率sin@t+a）xsing+卩）=皿?—卩）-cos㈣+a+P）如B與A信號(hào)的相位和頻率都相同，直流值變?yōu)樽畲?；相?00，直流值為0。因此，用頻率相同的參考信號(hào)B乘以信號(hào)A，通過濾波除去與信號(hào)A頻率不同的成分即噪聲，在原理上可構(gòu)成具有無限大Q值的濾波器。在現(xiàn)代通信及信號(hào)處理中應(yīng)用于檢測淹沒在噪聲的微弱信號(hào)。2.2整形電路輸入信號(hào)送入LM311進(jìn)行滯回比較，可較好消除邊緣毛刺，實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)整形。圖1-3為LM311的滯回比較電路圖此電路將輸入的信號(hào)通過運(yùn)放及其他電阻、電容元件后，形成方波信號(hào)。首先，由第一級(jí)運(yùn)放將輸入信號(hào)放大再由第二級(jí)運(yùn)放將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。!OFAMFR14.7k 弧ITIITiEL21m參考信號(hào)2二rEn-R14.7k 弧ITIITiEL21m參考信號(hào)2二rEn-15KQ22N337015KQ22N3370圖2-22.2.1集成芯片CD4046CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬（為3V—18V）,輸入阻抗高（約100MQ）,動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率fO為10kHz下功耗僅為600口W。外部附加電壓一電流變換電路可改善VCO特性。121341015圖2-32.2.2相敏檢波器DG201相敏檢波器作為鎖相放大技術(shù)中的乘法器，它的線性度和動(dòng)態(tài)范圍決定了系統(tǒng)的弱信號(hào)檢測水平。一般的模擬乘法器中，由于直流漂移的影響，不能在很寬的動(dòng)態(tài)范圍GND1網(wǎng)氐SiV+NCSjD3I嗎TopVi?TRUTHTABLELogicGND1網(wǎng)氐SiV+NCSjD3I嗎TopVi?TRUTHTABLELogicswitch□CN1OFFLWC/TSoevLQCiCT24Y圖2-4能夠提供高速、低錯(cuò)誤的模擬開關(guān)效果，并且能夠用邏輯電平進(jìn)行控制°DG201適合高速數(shù)據(jù)采集的要求°DG201是建立在一個(gè)專有高電壓硅柵進(jìn)程。一般模擬開關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)接通時(shí)間比斷開時(shí)間慢，使得兩點(diǎn)間的輸入信號(hào)不短路。但是用作PSD等用途時(shí)，重要的是變換占空比50% ON或OFF的時(shí)間比相等，所以需要使用斷開或接通時(shí)間都相等的模擬開關(guān)。+13VC1+13VC1111V+S1D1：i IN]/52「D23ELIN；7沖y-CX1111X-15V\農(nóng)巻舞宿號(hào)電路圖2-52.3信號(hào)通道待檢測的微弱信號(hào)和噪聲混合在一起輸入低噪聲前置放大器，經(jīng)放大后進(jìn)入前置濾波器，前置濾波器可以是低通、高通、帶通或帶阻濾波器，或者用這些濾波器的兩種以上的組合構(gòu)成寬帶或窄帶濾波特性，用于防止在嚴(yán)重的噪聲或干擾條件下使PSD出現(xiàn)過載，濾波后的信號(hào)經(jīng)過調(diào)諧交流放大器放大到PSD所需的電平后輸入PSD。2.4參考通道參考通道用于產(chǎn)生相干檢測所需的和被測信號(hào)同步的參考信號(hào)。參考通道首先把和被測信號(hào)同頻率的的任何一種波形的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比為1:1的方波信號(hào)，其頻

率和輸入移相器的參考信號(hào)的頻率兀相同。現(xiàn)代的鎖相放大器還可以給出頻率為2厶的方波信號(hào)，主要用于微分測量中相移電路可以精確地調(diào)節(jié)相位沁，使PSD中混頻器的兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差嚴(yán)格為零，獲得最大的檢波直流輸出。方形信號(hào)通過移相器改變其相位，使得PSD輸入的參考信號(hào)與被測信號(hào)同相位，即鎖相放大器的PSD的直流輸出信號(hào)一般要經(jīng)過濾波和直流放大，然后輸出給測量儀表等。2.5鎖相放大器對(duì)噪聲的抑制2?5?1等效噪聲帶寬為了定量分析放大器抑制噪聲的能力，我們先引入等效噪聲帶寬（equivalentnoisebandwidth，簡稱ENBW）的概念?？疾烊纾▓D2—5—la）所示的最簡單的RC低通濾波器，它以復(fù)數(shù)表示的傳輸系數(shù)（即輸入輸出信號(hào)之比）為比（何=比（何=它的模為疋它的模為疋（Je）= 1 = 1J1+（磁匕尸』屮2那￡丫(2—5—1)叫曲⑼I.oo叫曲⑼I.oo(p.707)圖2-6簡單低通濾波器及其傳輸特性圖2-6b所示為 隨頻率而改變的關(guān)系。對(duì)于輸入信號(hào)，濾波器的帶寬通常疋0勁 *定義為當(dāng)傳輸系數(shù) 隨頻率改變而下降到0.707（—3dB）時(shí)的頻率值▲。由式#井可知RC低通濾波器的帶寬為'憶曲匚。

圖2-7低通濾波器的等效噪聲帶寬對(duì)于輸入噪聲通常用等效噪聲帶寬（ENBW）來表征濾波器抑制噪聲的能力。假定濾波器的輸入為白噪聲，即/到了+斯頻率范圍內(nèi)，噪聲電壓的均方值為其中：債為一與了無關(guān)的系數(shù)。當(dāng)噪聲通過所討論的低通濾波器時(shí)，可以求得輸出噪聲電壓的均方值。另外，假定有一個(gè)理想的低通濾波器，其傳輸特性如圖###中b所示。頻率在0?B之間傳輸系數(shù)的模等于所討論的低通濾波器當(dāng)了二0時(shí)傳輸系數(shù)的模，而當(dāng)f>B時(shí)，傳輸系數(shù)的模為零。噪聲通過此理想低通濾波器時(shí)，也可以求得輸出噪聲電壓的均方值。如果兩種情況下輸出噪聲電壓均方值相等，則定義這時(shí)的B為所討論的低通濾波器的等效噪聲帶寬。按以上定義「口 2 1? Jo1丄伽srV(2—5—2)(Hz)可見RC低通濾波器的等效噪聲帶寬B和時(shí)間常數(shù)RC成反比。顯然，對(duì)于任何傳輸英g二曲Qi? ?系數(shù)為 的低通濾波器（広。為實(shí)數(shù)），等效噪聲帶寬B都等于V0^）o128A型鎖相放大器所用的低通濾波器也屬于這種類型，因此ENBMW值B都等于'用眄。該儀器的時(shí)間常數(shù)RC也可以從1ms改變到100s。當(dāng)時(shí)間常數(shù)為100s時(shí)，等效噪聲帶寬B=0.0025Hz，這個(gè)數(shù)值相當(dāng)小，如此小的帶寬可以大大地抑制噪聲。我們知道一般的調(diào)諧放大器或選頻放大器想要把帶寬做得這么窄是及其困難的，鎖相放大器的特點(diǎn)在此就表現(xiàn)得非常突出了。對(duì)于PSD，考慮到在基波附近土紂的輸出噪聲都將在輸出端產(chǎn)生噪聲分量，故PSD的基波等效噪聲帶寬應(yīng)為RC低通濾波器等效噪聲帶寬的2倍,~即(2—5—3)對(duì)于白噪聲，相應(yīng)諧波等效噪聲帶寬為：叭加+習(xí)2.1/2盤U,總的等效噪聲帶寬為血彳 1 1 1 彳豪彳 7T3 開彳(2—5—4)國外儀器一般都用低通濾波器的等效噪聲帶寬代替儀器總的等效噪聲帶寬，這是不太嚴(yán)格的°128A型鎖相放大器的等效噪聲帶寬采用的就是這類定義。從抑制噪聲的角度來看，時(shí)間常數(shù)RC越大越好。但是RC越大，放大器反應(yīng)速度就越慢，幅度變化較快的信號(hào)的測量將受到限制。所以在鎖相放大器中用減小帶寬來抑制噪聲是以犧牲響應(yīng)速度為代價(jià)的。在測量中應(yīng)根據(jù)被測信號(hào)的情況，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間常數(shù)，而不能無限度的追求越大越好。2.5.2信噪比改善(SNIR)信噪比改善是指系統(tǒng)輸入端信噪比人/乙與輸出信噪比兀皿的比值，鎖相放大器的信噪比改善常用輸入信號(hào)的噪聲帶寬與PSD的輸出噪聲帶寬之比的平方根表示：G%=I^J!L(2—5—5)2.5.3鎖相放大器的噪聲鎖相放大器自身的噪聲將直接影響最小可測信號(hào)的大小。為了便于研究，通常將它折合為放大器輸入端的噪聲，決定改噪聲的因素有：放大器的前級(jí)狀況，信號(hào)源的內(nèi)阻&以及工作頻率。不同的亂具有不同的熱噪聲；工作頻率較低時(shí)噪聲的影響較大。為了在使用中方便考慮鎖相放大器的噪聲，通常將折合到輸入端的噪聲繪制成噪聲系數(shù)等值線圖(簡稱NF圖)。噪聲系數(shù)NF的定義為折合到輸入端的總噪聲電壓坦折合到輸入端的源電阻熱噪聲電壓 (2—5—6)根據(jù)給定的工作頻率了與源電阻&值，通過查NF圖，即可得到鎖相放大器最小檢測信號(hào)的大小。2.6動(dòng)態(tài)范圍和動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備鎖相放大器有幾個(gè)標(biāo)志其性能的臨界電平：（1）最小可分辨信號(hào)電平（MDS）；（2）滿刻度信號(hào)輸入電平（FS）；（3）最大過載電平（VOL）。這三個(gè)電平確定了儀器的幾個(gè)重要性能指標(biāo)：①動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備乜的0匸旳伽）時(shí)指比滿刻度輸入信號(hào)大這么多倍（以分貝為單位）輸入噪聲仍然能夠被儀器抑制。②輸出動(dòng)態(tài)范圍二20運(yùn)行勻遠(yuǎn)廠（dB）是指在確定的靈敏度的條件下滿刻度輸出時(shí)的輸入信號(hào)大小與最小可分辨信號(hào)大小之比。③輸入總動(dòng)范圍=（dB）是指在確定的靈敏度的條件下，最大噪聲信號(hào)大小與最小可分辨信號(hào)大小之比，他是評(píng)價(jià)儀器從噪聲中提取信號(hào)能力的主要參數(shù)。他們之間的關(guān)系可以用圖2-8表示。劫態(tài)儲(chǔ)備? | 論入總動(dòng)態(tài)范圍r輸出動(dòng)霑請(qǐng)備圖2-8信號(hào)通道內(nèi)插入高、低通濾波器和調(diào)諧放大器有助于改善動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備。改變?yōu)V波器的通帶范圍和放大器的放大倍數(shù)會(huì)影響動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備和動(dòng)態(tài)范圍。測量中要根據(jù)輸入信號(hào)的情況適當(dāng)調(diào)節(jié)和選用。3、鎖相增益放大電路測試根據(jù)這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們對(duì)根據(jù)以下4個(gè)調(diào)試要點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)試：VCO特性調(diào)試，接入?yún)⒖夹盘?hào)，（4046,4足），200KHZ，應(yīng)用頻率計(jì)測量固有震蕩頻率fv，此時(shí)發(fā)現(xiàn)，頻率計(jì)顯示值為200KHZ，說明此時(shí)進(jìn)入了鎖定狀態(tài)。C2取1000P，調(diào)整R11，此時(shí)觀察電壓一頻率控制特性。通過觀察可知，在一定范圍內(nèi),震蕩頻率與控制電壓呈現(xiàn)線性關(guān)系。3?調(diào)節(jié)參考輸入信號(hào)的特性由高到低，記錄鎖定的頻率。調(diào)信號(hào)源頻率約為CD4046的中心頻率。示波器分別測Ui和Uo,并以Ui作為示波器的觸發(fā)同步信號(hào)，頻率計(jì)測Ui,這時(shí)示波器可顯示兩個(gè)穩(wěn)定的波形，即Ui和Uo是鎖定的。在一定范圍內(nèi)緩慢改變信號(hào)源頻率，可看到兩個(gè)波形的頻率同時(shí)變化，且都保持穩(wěn)定清晰，這就是跟蹤。但當(dāng)信號(hào)源頻率遠(yuǎn)大于（高端）或遠(yuǎn)小于（低端）CD4046的中心頻率時(shí)，但Uo不能保持穩(wěn)定清晰，這就是失鎖。記下剛出現(xiàn)失鎖時(shí)的Ui頻率即高端頻率fHH和低端頻率fHL，則同步帶AfH=fHH—fHL。4?在CD4046的12足附加電壓一電流變換電路，觀察（示波器）。V—F特性線性關(guān)系的范圍變寬了，說明附加電壓一電流變換電路可使VC0可變范圍得到飛躍性擴(kuò)展。4、總結(jié)與體會(huì)由于設(shè)計(jì)課題具有一定難度，在設(shè)計(jì)過程中，也遇到很多的問題，但是在賀老師的指導(dǎo)幫助下，在小組成員的不懈努力和積極配合之下。所遇到的問題都逐一得到了解決，在此對(duì)謝老師的細(xì)心指導(dǎo)表示衷心的感謝。同時(shí)，也更加深刻地體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作的力量，在合作中，增加了同學(xué)們之間的了解，提升了自己與人交流合作的能力。這也是一筆不小的收獲。設(shè)計(jì)最大的收獲是熟悉了整個(gè)設(shè)計(jì)的流程以及系統(tǒng)的工作原理，從最開始的題目下達(dá)，到最后的完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，大家都是一步一步的認(rèn)真完成。這對(duì)于平時(shí)較少接觸完成整個(gè)設(shè)計(jì)流程的我們來說得到了很大的鍛煉。在設(shè)計(jì)過程我們充分認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)的合作精神及其重要，只有團(tuán)隊(duì)團(tuán)結(jié)一致，相互協(xié)作，共同分工，才可把一件事情做得更好。在設(shè)計(jì)過程中，我們也體會(huì)到了對(duì)很多以前學(xué)過的知識(shí)存在掌握不牢的問題。設(shè)計(jì)本身也還存在一些不足，由于設(shè)計(jì)和元器件性能的限制，系統(tǒng)測試精度不夠高，不能運(yùn)用在精度要求很高的工業(yè)領(lǐng)域中，但是此次設(shè)計(jì)結(jié)果還是比較完美的，實(shí)物做的也不錯(cuò)，也完成了設(shè)計(jì)所要求的結(jié)論。以后需要多進(jìn)行此類設(shè)計(jì)訓(xùn)