1、2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛12014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛题C题：锁定放大器的设计设计报告2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛2摘 要本作品基于锁定放大器设计，由前级放大模块,带通滤波器模块，相敏检波模块，触发整形模块和单片机显示模块组成，具有微弱信号锁定放大功能。在前级放大电路中，信号发生器经过分压网络得到交流放大器的信号来源。信号通过带通滤波器，加上参考通道得到的方波，一起输入到相敏检波电路，得到整流波形，经过低通滤波器，得到变化极其缓慢的直流信号，经过单片机显示。本作品进行合理的级联和阻抗匹配，加入单片机设计的示波器显示，从而得到一个完整的锁定放大器系统。而且
2、综合应用了电容去耦、滤波、旁路电容等抗干扰措施以减少放大器的噪声干扰。关键词： 分压网络 交流放大器 相敏检波 触发整形 示波器2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛3一、总体方案设计1.1 系统总体方案根据题目要求如图 1，要求系统分为三大部分：第一部分信号通道，实现对信号的放大，去噪。第二部分为参考通道，通过移相器和比较器，得到方波。第三部分为检波电路，得到信号幅值，并显示。图 1 锁定放大器基本组成结构框图图 2 系统方案框图2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛4本方案系统总体框图如图 2 所示，系统由加法器、衰减器、前置放大电路、带通滤波器、同相电路、反相电路、移相器、开关电路和
3、低通滤波器构成；其中由同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，使得信号湮灭在噪声中，然后经过衰减器衰减 100 倍以上，送到由放大电路、带通滤波、同相、反相、移相、比较和低通滤波器构成微信号检测电路中。本系统以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相电路和比较器输出方波驱动开关管乘法器，输出直流信号然后通过单片机 A/D 转换，最后在液晶上显示出来。1.2 系统方案设计论证1.2.1 微信号放大设计本题目要求采用锁相放大器检测小信号，噪声强、信号弱，是锁相放大器的工作情况，对此，我们要采用低噪声的精密放大运算放大器 OPA2376。前段放大电路需要有足够的放大倍数，来保证信号的采集。对此
4、，本方案采用了放大 60dBde 的设计，以期达到设计需求。1.2.2 移相网络设计本题移相网络有全通滤波器模拟移相电路和数字步进移相两种方法可以选择。 ，一阶全通滤波器的移相范围接近 180 度，所以通过设计两级滤波则可使移相范围达到 360 度。数字移相由于单片机基础薄弱，而且单片机具有天生的相位误差存在，所以选择模拟移相电路方案。1.2.3 相敏检波设计锁相放大器对于噪声的抑制能力，低通滤波器（LPF）的截止频率来确定的。例如， 在测量 10kHz 的信号时，如果使用 1mHz 的低通滤波器（LPF） ，那么就等效于在使用 10kHz1mHz 的带通滤波器时的噪声抑制能力。如同前面所解说
5、的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器（BPF）时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实现。由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。频率变换是通过乘法运算来进行的。一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。所以，在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现
6、频率变换。由开关元件所进行的同步检波电路，称作 PSD（相敏检波器，Phase Sensitive Detector）,这是组成锁相放大器的心脏部分。2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛5二、理论分析与参数计算2.1 锁相放大器原理随着科学技术和生产的发展，存在着大量淹没在噪声背景中的微弱信号需要检测。微弱信号检测技术已成为深化认识自然，探索新材料，创造新器件的重要工具。微弱信号检测这种专用技术，最根本的目的是改善信噪比。当信号频率和相位已知时，可以证明：采用相干检测技术能使信噪比改善最大，并是恢复信号幅度的最佳技术。实际测量一个被测量时，无用的噪声和干扰总是伴随出现，影响了测量的精确性和
7、灵敏度。特别是当噪声功率超过待测信号功率时，就需要用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原信号。这些检测仪器是根据改进信噪比的原则设计和制作的，即锁定放大器。锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成，是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、同相的噪声分量有响应。所以它能大幅度抑制噪声信号，提取出有用信号。一般锁相放大器具有极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益可达 220dB，能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。由此可见，
8、锁相放大器具有极强的抗噪声能力。它和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因为很好地利用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间在性质上的差别。2.2 相敏检波器分析相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器，本设计采用开关式乘法器。相敏检波器（PSD）的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波，当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大。工作过程如下：设输入信号为 。参考输入 时幅度为0()cos()xtVt()rt的方波，其周期为 ，角频率为 ，根据傅里叶分析的方法，这种rVT0
9、2/T周期性函数可以展开为傅里叶级数2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛600011()cossinmmrtatbt可得 的傅里叶级数表示式为t104()()cos(2)nrVt t1 10 02()()()cos(2)cos(2)n nsr srp Vutxrt t t g上式右边第一项为差频项，第二项为和频项。经过 LPF 的滤波作用， 的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩 的差频项为1n2()cosrpVut当方波幅度 时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当1r为 时，电子开关的输出连接到 ；当 为 时，电子开关的输出连()rt1()xt()rt1接到 ，这时 LPF 的输
10、出为x2()cosoVut当经过开关乘法器，角度之差为 0 时，输出信号最大。 2.3 移相网络因为输出信号与信号的相位差有关，所以必须加入移相网络。移相是指两种同频的信号，以其中一路为参考，另一路相对于该参考做超前或滞后的移动，即称为相位的移动。由方案论证得，本设计采用模拟移相电路。模拟移相电路其实就是一个全通滤波电路，它的放大倍数 Au=（-1+jwRC）/(1+jwRC)，写成模和相角的形式为：|A u|=1,=180-2arctan（f/f 0） ，其中f0=1/（2RC） 。每个滤波器相移范围均接近 180，所以本设计采用 2 个一阶全通滤波器串联，使得整个移相电路能做到接近 360
11、的相移范围。2.4 噪声与干扰2.4.1 噪声与干扰来源分类通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性，可以减少或消除。锁定放大器要解决的就是如何在很强的外部干扰环境中检测弱信号。2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛7宽带的或持续的无用信号：噪声。瞬时的或窄带的无用信号：市电 50Hz 或 100Hz（整流等） ；电台；开关通/断；高能量的脉冲电流或电压；机械振动；太阳活动；雷电等2.4.2 噪声的屏蔽电容性偶合：降低电路的阻抗，在噪声源与信号线之间建立导电屏障，屏障接地。例屏蔽线，铜罩壳等。电感性偶合：减少回路面积，用铁磁性物质包围噪
12、声源。例如，变压器的外壳，双绞线。接大地：消除电位差；消静电。接信号地：信号的公共点，提供信号回路，减少阻抗。1MHz 低频以下可采用一点接地，10MHz 以上高频可采用大面积多点接地。还要注意区分模拟地和数字地。三、电路设计3.1 信号通道3.1.1 纯电阻分压网络分压采用直接电阻分压即可获得 1000 倍以上的分压，为了获得较好的分压结果，R1、R2 均采用精密电阻，并用跟随器断开与加法器的连接，使分压更加精确，电路图如图 3：图 3 分压网络原理图2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛83.1.2 加法器加法器采用差分放大器 INA2134，无需外接电阻，即可做到 ,电0SNV路简单可
13、靠，电路图如图 4：T0.00 1.00m 2.00m 3.00m 4.00m 5.00mVF1-100.00m100.00mVF2-200.00m200.00m图 4 加法器原理图3.1.3 前级放大电路模块为了使微弱检测电路的输入阻抗 1MHz，所以它的第一级为同相放大电路，则它的输入阻抗至少大于 1MHz，采用两片 INA128 作为运放放大 100 倍，INA128 的放大倍数 ，所以第一级放大 6 倍，第二级放大 16 倍，选501KGBR择电阻 RG 分别为 10K， 3.3K；INA128 外围电路简单，输入阻抗高，并且有效抑制共模干扰，电路图如图 5：T0. 1.0m 2.0m
14、 3.0m 4.0m 5.0mVF1-10.0u10.0uVF2-30.0m2.m图 5 交流放大原理图3.1.4 带通滤波器输入信号的频率要求为 1K，而且信号通道的 3dB 频带范围为900Hz1100Hz。误差小于 20%。如图 6 所示：2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛9图 6 带通滤波器原理图3.1.5 移相网络设计因为元器件本身的固有特性，移相达到 180有一定的困难，所以采用两级串联的移相网络设计，从而使移相能力接近 360。如图 7：图 7 移相网络原理图3.1.6 过零比较器本设计采用 LM311 设计过零比较器实现方波到正弦波的转换。如图 8：图 8 比较器原理图2
15、014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛103.1.7 相敏检波器带通滤波器的输出 同时经过同相和反相跟随器后，输入到模拟开关1OUTVTS5A3159DBVR；然后另一路将参考电源 先经过移相网络，然后经过用REFVLM311 构成的单限过零比较器，得到方波去驱动 TS5A3159DBVR， 。如图 9：图 9 相敏检波原理图3.1.8 低通滤波器相敏检波的输出最后经过由 OPA2376 构成的可调低通滤波器，该滤波器的R=1MHz，C=1u ，算出截止频率为 1Hz，能够达到滤波的效果，具体电路为图10：图 10 LPF 原理图2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛113.2 单片机程序设
16、计低通滤波的输出交由 AD 采集模块，差分模式进行采集，经过计算，最后通过扩展液晶进行实时显示。图 11 显示电路原理框图3.2.1 测量结果显示为了提高测量精度，除了采用多次 A/D 取平均以外，还在程序中加入了电压校准模块。因为是对微小信号的检查，不同幅度段的信号的比值可能会因为幅度的大小而不同，故对不同幅值的小信号采用不同的电压校准，由原理知输出和输入电压之间有一个定值的比例，会随相位不同而不同，故每次可根据要测量的信号范围调节相位，使比例值最大，最终根据得到的标定系数结合加权平均的结果计算出最终的测量值，送到液晶显示。2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛12四、系统测试和数据分析无
17、噪声“无衰减输入-输出幅值”测试记录表输入 mv 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 输出 mV 1988 1884 1686 1466 1253 1041 827.6输入 mv 1750 1500 1250 1000 950 900 850 输出 mV 720.2 614.3 509.6 408.1 383.7 362.6 341.8输入 mv 800 750 700 650 600 550 500 输出 mV 320.8 300.2 279.6 259.7 238.8 218.5 199.7输入 mv 450 400 350 300 250 200 180
18、 输出 mV 177.8 157.4 137.3 117.3 97.4 77.69 69.51输入 mv 150 120 100 80 50 输出 mV 57.78 46.05 38.23 30.31 18.65 输入 mv 40 30 20 10 输出 mV 14.67 10.78 6.67 2.24 无噪声“无衰减输入-输出幅值”对应图0;Re30(0) 0;Re22(0) 0;Re13(0) 0;Re4(0)05001000150020002500Series 1200uV 基准电压下无噪声测量显示表微弱信号（uV）测量显示（uV）误差（%） 微弱信号uV测量显示uV误差（%）1000
19、991.7 0.83 110 106.1 3.55 900 919.7 2.19 100 96.5 3.50 800 815.6 1.95 90 86.6 3.78 700 710.6 1.51 80 76.8 4.00 600 606.5 1.08 70 67.1 4.14 500 503.5 0.70 60 57.3 4.50 400 399.5 0.13 50 47.7 4.60 2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛13350 348.3 0.49 40 38.1 4.75 300 297.1 0.97 36 34.2 5.00 250 246.5 1.40 30 28.5 5.00
20、 200 196.1 1.95 24 22.7 5.42 190 185.8 2.21 20 18.8 6.00 180 175.7 2.39 16 15.1 5.63 170 165.5 2.65 10 9.33 6.70 160 155.5 2.81 8 7.44 7.00 150 145.3 3.13 6 5.53 7.83 140 135.3 3.36 4 3.55 11.25 130 125.8 3.23 2 1.29 35.50 120 115.7 3.58 由数据表和直线图可以看出，测试结果基本符合线性关系，而用分段幅值检测方法，可以减小误差；而即使没有分段测试，均在 200uV
21、 的基准电压下测试，结果误差在 10%内，还是完全符合题目要求。,在 90uV 基准电压下加噪声测试表加噪频率 1:1 测量显示误差（%） 1:10 测量显示 误差（%）1050 91.9 2.11 85.2 5.33 1100 92.5 2.78 88.7 1.44 1150 92.5 2.78 89.8 0.22 1200 91.6 1.78 90.8 0.89 1250 90.7 0.78 90.9 1.00 1300 90.3 0.33 90.2 0.22 1350 90.1 0.11 89.4 0.67 1400 89.8 0.22 89.4 0.67 1450 89.8 0.22
22、89.4 0.67 1500 89.7 0.33 89.4 0.67 1550 89.7 0.33 89.3 0.78 1600 89.8 0.22 89.4 0.67 1650 89.7 0.33 89.4 0.67 1700 89.7 0.33 89.4 0.67 1750 89.7 0.33 89.3 0.78 1800 89.7 0.33 89.4 0.67 1850 89.7 0.33 89.4 0.67 1900 89.7 0.33 89.4 0.67 1950 89.7 0.33 89.4 0.67 2000 89.7 0.33 89.3 0.78 2050 89.7 0.33
23、89.4 0.67 2100 89.7 0.33 89.4 0.67 噪声加入后，对信号检测造成的影响还是能够看出来的，尤其频率想接近时，影响较大；但总体效果还是不错的，随着噪声频率的增大，滤波效果明显2014 年 TI 杯大学生电子设计竞赛14变好，误差也稳定下来，控制在了 10%以内，有效地检验了电路的微弱信号的检测能力。因为原本的显示电路有误差，所以在加噪声后可能会出现误差变小的情况，所以，是符合事实情况的。带宽测试（输入的 2v 测试电压）频率 Hz 700 750 800 825 850 875 900幅度 V 0.312 0.376 0.504 0.576 0.736 0.824
24、0.992频率 Hz 910 920 930 940 950 960 970幅度 V 1.12 1.18 1.24 1.34 1.4 1.46 1.52频率 Hz 980 990 1000 1010 1020 1030 1040幅度 V 1.6 1.64 1.7 1.74 1.8 1.84 1.86频率 Hz 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1125幅度 V 1.90 1.94 1.94 1.94 1.92 1.92 1.88频率 Hz 1150 1170 1180 1190 1200 1210 1220幅度 V 1.72 1.6 1.56 1.48 1.4 1.36 1.3频率 Hz 1230 1250 1300 幅度 V 1.2 1.12 0.88 700 800 900 1000 1100 1200 130000.20.40.60.811.2Series 1带宽测试中,也在要求之内，低通截止频率 1000Hz,中心频率 1060,高通截止频率 1150,误差分别为:(1000-900)/1000*100%=10%;(1060-1000)/1000*100%=6%;(1150-1100)/1100*100%=3.6%;较好完成要求的 20%误差。
