鎖相放大器又稱鎖定放大器是對正弦信號（含具有窄帶特點的調(diào)幅信號）進(jìn)行相敏檢波的放大器，它實際上是一個模擬的傅立葉變換器，在強噪聲下，利用有用信號的頻率值準(zhǔn)確測出有用信號的幅值。應(yīng)用在科學(xué)研究的各個領(lǐng)域中：如通訊、工業(yè)、國防、生物、海洋等。這篇文章主要就是和大家一起來了解一下鎖相放大器的設(shè)計。

　　本設(shè)計對于檢測微弱信號的鎖存放大器進(jìn)行論述，鎖定放大器主要包括交流放大器、帶通濾波器、相敏檢波器、低通濾波器、直流放大器及液晶顯示等幾個部分。其中，交流放大器以INA128為主要構(gòu)成部件，實現(xiàn)交流信號的放大從而作為帶通濾波器的輸入；帶通濾波器用UAF42構(gòu)成，實現(xiàn)對900Hz到1100Hz頻帶范圍的濾波過程，其誤差小于20%；相敏檢波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信號在輸入低通濾波器經(jīng)直流放大器放大后輸入顯示電路，顯示出被測信號的幅度及有效值。

　　另外，在相敏檢波器部分的方波驅(qū)動信號由參考信道的參考信號經(jīng)觸發(fā)整形、移相、比較而來。同時，為了更好的檢測出鎖定放大器的性能，在信號的輸入端增加加法器電路，實現(xiàn)被測信號與干擾信號的1:1疊加，當(dāng)干擾信號的頻率為1050Hz—2100Hz時，輸出端的測量誤差小于10%。鎖定放大器在實際應(yīng)用中用途廣泛，尤其對于微弱信號檢測方向站著主導(dǎo)地位，隨著科技的發(fā)展已漸漸的融入人類的生活之中，擁有很好的發(fā)展前景。

　　一、鎖相放大器設(shè)計方案論述

　　對于幅度較小的直流信號或滿編信號，為了防止1/f噪聲和直流放大的直流漂移（例如運算放大器輸入失調(diào)電壓的溫度漂移）的不利影響，一般都使用調(diào)制器或斬波器將其變換成交流信號后，在進(jìn)行放大和處理，用帶通濾波器抑制寬帶噪聲，提高信噪比，之后再進(jìn)行解調(diào)和低通濾波，以得到放大了的被測信號。對于微弱的直流和慢變信號，調(diào)制后的正弦信號也必然微弱。

　　要達(dá)到足夠的信噪比，用于提高信噪比的帶通濾波器的帶寬必須非常窄，Q值必須非常高，這在實際上往往很難實現(xiàn)。而且Q值太高的帶通濾波器往往不穩(wěn)定，溫度、電源電壓的波動均會是濾波器的中心頻率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其通頻帶不能覆蓋信號頻率，使得測量系統(tǒng)無法穩(wěn)定可靠地進(jìn)行測量。在這種情況下，利用鎖定放大器可以很好地解決上述問題。

　　本設(shè)計為制作一個用來檢測微弱信號的鎖定放大器。首先，交流放大器部分采用INA128作為主要部件，將信號放大后輸入帶通濾波器，帶通濾波器由UAF42構(gòu)成，可以實現(xiàn)950Hz到1050Hz頻帶范圍的濾波過程，其誤差小于10%；然后，帶通濾波后的信號和同頻同相的方波參考信號送入乘法器，乘法器采用MPY634；再者，乘法器輸出的信號送入低通濾波器，再經(jīng)直流放大器放大后，由顯示電路顯示出被測信號的幅度有效值。

　　另外，在相敏檢波器部分的方波驅(qū)動信號由參考信道的參考信號經(jīng)觸發(fā)整形、移相、比較而來。同時，為了更好的檢測出鎖定放大器的性能，在信號的輸入端增加加法器電路，實現(xiàn)被測信號與干擾信號的1:1疊加，當(dāng)干擾信號的頻率為1050Hz—2100Hz時，輸出端的測量誤差小于10%。

　　鎖定放大器的流程框圖

　　鎖定放大器的流程框圖如圖1.1所示，主要由交流放大器、帶通濾波器、相敏檢波器、低通濾波器、直流放大器、觸發(fā)整形、移相器及方波驅(qū)動等模塊構(gòu)成。

　　鎖相放大器設(shè)計總體電路圖

　　二、各部分指標(biāo)的分析與計算

　　2.1、交流放大器

　　交流放大器部分采用INA128三級同相放大電路放大。根據(jù)公式GB=1+50K/R，第一級放大16倍，第二級放大為26倍，第三級放大為26倍，三級相乘最終的放大倍數(shù)可達(dá)10816倍，滿足設(shè)計要求；由此每一級的電阻選擇分別為3.3K、2K、2K。INA128的外圍電路簡單，輸入阻抗高，同時能有效的抑制共模干擾，其電路圖如圖2.1所示。

　　圖2.1交流放大器電路

　　2.2 、帶通濾波器

　　帶通濾波器部分的核心部件為UAF42芯片。UAF42是一款通用有源濾波器，可配置為低通、高通、帶通濾波器。它使用了一種經(jīng)典的狀態(tài)可調(diào)的模擬結(jié)構(gòu)，通過一個反向放大器和兩個積分器。積分器包含上1nF電容。這種結(jié)構(gòu)解決了有源濾波器設(shè)計的一個重要的難題——獲得緊密對準(zhǔn)公差、低損耗電容。它是一種單片集成電路，其中包含了運算放大器、匹配電阻和狀態(tài)可調(diào)雙極濾波極對所需的精密電容，以及四個獨立的精密運放。對于帶通濾波器的設(shè)計，采用Filter42軟件計算出外圍電阻RF1=RF2=158K，達(dá)到中心頻率為1000Hz，頻帶范圍為950Hz—1050Hz的濾波要求。其電路如圖2.2所示

　　圖2.2帶通濾波器電路

　　2.3、相敏檢波器

　　相敏檢波器主要部件為MPY634，其電路如圖2.3所示。

　　圖2.3相敏檢波器電路

　　2.4、低通濾波器

　　低通濾波器同樣采用UAF42構(gòu)成，其外圍電阻分別為44K、470K。電路圖如圖2.4所示。

　　圖2.4低通濾波器電路

　　2.5、直流放大器

　　直流放大器電路如下圖2.5所示。

　　圖2.5直流放大器電路

　　2.6、顯示部分

　　單片機最小系統(tǒng)設(shè)計。本設(shè)計電流源通過鍵盤模塊輸入給定的電流值傳送給單片機，單片機在接收到信號后進(jìn)行處理運算，并顯示其給定的電流值，然后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換以輸出電壓，驅(qū)動恒流源電路實現(xiàn)電流輸出，并將采樣電阻上的電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機系統(tǒng)，通過補償算法進(jìn)行數(shù)值補償處理，調(diào)整電流輸出并驅(qū)動顯示器當(dāng)前的電流值。最小系統(tǒng)核心為MSP430，將單片機的引腳用接口引出，電路圖如圖2.6中單片機最小系統(tǒng)模塊所示。

　　圖2.6單片機最小系統(tǒng)

　　A/D轉(zhuǎn)換器選用具有16位分辨率高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115。ADS1115具有一個板上基準(zhǔn)和振蕩器，數(shù)據(jù)通過一個I2C兼容型串行接口進(jìn)行傳輸，可以選擇4個I2C從地址。如圖2.7所示電路中，ADS1115的SDA與單片機P1.2口相接，SCL與單片機P1.3口相接。上接上拉電阻通過編程模擬ADS1115的通信時序?qū)崿F(xiàn)對ADS1115的操作。

　　液晶顯示電路設(shè)計如圖2.8所示

　　2.7、參考通道部分

　　參考通道部分采用LM324及外圍電阻搭建而成，整個通道分為觸發(fā)整形、移相、方波驅(qū)動三個部分。其電路圖如圖2.9所示。

　　2.8、自制電源設(shè)計

　　本設(shè)計共用到電源有2種：即±15V 、 +5V 。電源原理：穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路組成，整流作用是將交流電壓變換成脈動電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓輸出。圖2.10所示的電源電路圖由L7815和L7915組成，輸出±15V電壓給壓控恒流電路中的OP07等器件供電。圖2.11所示為+5V電源電路。

　　三、軟件設(shè)計

　　3.1 軟件流程設(shè)計

　　軟件流程圖如圖3.1所示

　　四、測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

　　4.1測試儀器

　　為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，對系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了實際測試。使用儀器設(shè)備見表4—1。

　　4.2各部分電路測試結(jié)果

　　1）鎖定放大器的設(shè)定要求與測試結(jié)果如下：

　?。?）外接信號源提供頻率為1kHz的正弦波信號，幅度自定，輸入至參考信號R（t）端。R（t）通過自制電阻分壓網(wǎng)絡(luò)降壓接至被測信號S（t）端，S（t）端幅度有效值為 10μV~1mV。

　　結(jié)果：外接信號源的頻率為1kHz的正弦波信號，幅度0.25v，通過分壓網(wǎng)絡(luò)470倍，S（t）端幅度有效值為 0.5mV，滿足設(shè)計要求。

　　（2）參考通道的輸出r（t）為方波信號，r（t）的相位相對參考信號R（t）可連續(xù)或步進(jìn)移相180度，步進(jìn)間距小于10度。

　　結(jié)果：參考通道輸出r（t）為方波信號，r（t）的相位相對參考信號R（t）可實現(xiàn)連續(xù)或步進(jìn)移相180度，步進(jìn)間距小于10度，滿足設(shè)計要求。

　?。?）信號通道的3dB頻帶范圍為900Hz~1100Hz。誤差小于20%。 結(jié)果：帶通濾波器的中心頻率為1000 Hz，信號通道的3dB頻帶范圍為900Hz~1100Hz，滿足設(shè)計要求。

　?。?）在鎖定放大器輸出端，設(shè)計一個能測量并顯示被測信號S（t）幅度有效值的電路。所測量的顯示值與S（t）有效值的誤差小于10%。

　　結(jié)果：所設(shè)計的鎖定放大器的輸出端能測量被測信號S（t）幅度的有效值，所測量的顯示值與S（t）有效值的誤差為9%，滿足設(shè)計要求。

　?。?）在鎖定放大器信號S（t）輸入端增加一個運放構(gòu)成的加法器電路，實現(xiàn)S（t）與干擾信號n（t）的1:1疊加。

　　結(jié)果：鎖定放大器信號S（t）輸入端的加法器電路可以實現(xiàn)S（t）與干擾信號n（t）的1:1疊加，滿足設(shè)計要求。

　?。?）用另一信號源產(chǎn)生一個頻率為1050~2100Hz的正弦波信號作為n（t）

　　將其疊加在鎖定放大器的輸入端，信號幅度等于S（t）。n（t）亦可由與獲得S（t）同樣結(jié)構(gòu)的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)得到。鎖定放大器應(yīng)盡量降低n（t）對S（t）信號有效值測量的影響，測量誤差小于10%。結(jié)果：測量誤差在15%。未能達(dá)到設(shè)計要求。（7）增加n（t）幅度，使之等于10S（t），鎖定放大器對S（t）信號有效值的測量誤差小于10%。

　　結(jié)果：測量誤差在22%。未能達(dá)到設(shè)計要求。

　　2）測試結(jié)果分析未能完全滿足設(shè)計要求（6）和（7）。主要原因之一是，參考方波信號和帶通濾波器輸出信號的相位存在一定誤差；主要原因之二是，由于整體電路沒有采用屏蔽線，再加上所使用的儀器精度不夠不可避免地引入噪聲。

　　五、總結(jié)

　　本設(shè)計對于檢測微弱信號的鎖存放大器進(jìn)行論述，鎖定放大器主要包括交流放大器、帶通濾波器、相敏檢波器、低通濾波器、直流放大器及液晶顯示等幾個部分。鎖定放大器在實際應(yīng)用中用途廣泛，尤其對于微弱信號檢測方向站著主導(dǎo)地位，隨著科技的發(fā)展已漸漸的融入人類的生活之中，擁有很好的發(fā)展前景。

　　在本次設(shè)計的過程中，遇到了許多困難，開始設(shè)計進(jìn)度比較慢，但通過仔細(xì)的分析和進(jìn)行多方面的調(diào)整后解決了問題，從中我們對電子專業(yè)知識與技能得到了更多的理解與提高。比賽中三個人分工明確，積極配合，最終完成了設(shè)計，這使我們深刻地體會到了共同協(xié)作和團隊精神的重要性?？傊?，這次比賽對我們每個人都影響非常深刻。