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浅谈锁定放大器的设计
数码世界杂志社   2016-05-06 16:43:49 作者:李方方 来源:《数码世界》 文字大小:[][][]

浅谈锁定放大器的设计

李方方

邯郸学院

摘要:现时代,科学技术发展迅猛,从噪声中提取微弱的有用信号的技术日益完善,锁定放大器的出现有效地实现了检测微弱信号的需求。本文给出了以相敏检波器为核心,用于完成强干扰背景下uV级小信号的有效提取的锁定放大器的设计。

关键词:锁定放大器、相敏检波、微弱信号、强噪声

 

锁定放大器是把待处理的信号中和参考信号同步的信号加以放大并提取出来,它的等效噪声带宽很窄,可以使仪器抑制噪声的特性提升好几个数量级,有很强的抗噪声性能。锁定放大器是由信号通道、参考通道、相敏检波电路以及输出显示电路四部分组成,各模块相互配合实现检测微弱信号的功能。该设计为检测微弱信号提供了一种思路和一套解决方案,可广泛地应用于各大领域。

一、锁定放大器原理分析

    锁定放大器是由信号通道模块、参考通道模块、相敏检波器模块和输出显示电路模块构成,对交流信号进行相敏检波。选取一个和被检测信号有相同频率和相位的参考信号为比较基准,所以被测信号本身以及与参考信号同频、同相的噪声分量可以被锁定放大器响应,因此它能够大幅度抑制噪声,提取出有用信号。锁定放大器不仅能利用信号的频率特性,还利用了信号的相位特点,即“锁定”了被测信号的相位。它的等效噪声带宽极窄,这很大程度上抑制住了无用信号。

二、总体设计思想

系统外接信号源提供正弦波信号R(t),一路送信号通道,一路送参考通道,R(t)在信号通道中经过衰减获得待测微弱信号,将由同样方式得到的干扰信号和待测微弱信号用加法器进行叠加,叠加后的信号经过交流放大器和带通滤波器后送入相敏检波器,R(t)在参考通道中经过整形移相后,利用电压比较器产生方波送入相敏检波器,然后通过低通滤波器输出直流信号并通过直流放大器进行放大,该直流信号通过单片机进行A/D转换,最后单片机将数据处理后在1602液晶屏上显示出来。

三、各模块设计介绍

  1、信号通道模块

    信号通道是由纯电阻分压网络、加法器、交流放大器、带通滤波器四部分组成。纯电阻分压网络使用电阻串联分压,电路比较简单,为了得到比较好的分压效果,可以使用精密电阻。该设计需要将干扰加到电路中,所以用到同相加法电路,同相加法电路其实是同相比例放大电路和加法电路的合并。交流放大器使用两级集成运算放大器实现交流放大。用低通滤波器高通滤波器可以只允许某一个频率段的信号通过。

  2、参考通道模块

参考通道由触发整形电路、移相电路组成。触发整形电路是为了产生方波,实际上使用的是电压比较器的特性,电压比较器类似于放大倍数接近无限大的运算放大器,它通过比较模拟量电压和参考固定电压,在两者幅度相等的附近,输出电压发生跳变,输出高电平或低电平,使用电压比较器,最后可以将正弦信号变成方波信号。移相网络采用数字移相的方法,由信号源产生的正弦波整形成方波后,单片机是利用延时的方法使方波的相位移动。

  3、相敏检波电路

    相敏检波器、低通滤波器和直流放大器三个模块组成相敏检波电路。相敏检波器使用开关式乘法器,它的本质就是对输入的两个信号的相位进行检波,当输入的两个信号同频同相时,相敏检波器和全波整流的作用类似,检波的输出是最大的。低通滤波器可以用运算放大器实现,滤除频率较高的分量。此处的直流放大器就是同相比例运算放大器,直流放大器是为了调节输出电压的范围,使其调到一个合适的范围,让单片机采集。

  4、输出显示电路

输出显示电路由单片机、LCD1602液晶显示屏组成。本设计可以采用STC12C5A60S2单片机,利用单片机本身带有的A/D转换功能,使模拟量转变为数字量,STC12C5A60S2片机内带的A/D转换功能是利用逐次比较的逻辑,由最高位开始,顺序地比较每个输入电压与内置D/A转换器的输出电压,经过比较,使转换所得到的数字量逐次逼近输入的模拟量的值,最后输出数字量。可以使用LCD1602字符型液晶显示屏显示出最终的数字量。

结语:

锁定放大器的设计使从噪声中检测小信号的设想变成了可能。该设计主要基于模拟器件实现,噪声源与干扰信号的叠加、衰减、滤波、检波,最后A/D采样处理并显示,构成一套完整的锁定放大系统。锁定放大器在检测微弱信号方面做出了很大贡献,它使微弱信号的检测迈入了一个新的高度,它可以应用到很多领域,为人类社会留下了一笔宝贵的财富。

 

参考文献:

[1] 高普占. 微弱信号检测 [M]. 北京: 清华大学出版社, 2011.

[2] 童诗白, 华成英. 模拟电子技术基础 [M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[3] 王江涛. 低相噪DDS信号产生电路的设计 [J]. 微波学报, 2007(S1): 148-151.

[4] 宋伟先. 软件锁相环的研究与接收机的设计 [D]. 哈尔滨工程大学, 2009.

[5] 曾庆勇. 弱信号检测 [M]. 浙江: 浙江大学出版社, 1994, 1-120.

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