1、1西华大学课程设计报告锁相增益放大电路摘要：随着科学技术的发展，使测量技术得到日趋完善的发展，同时也提出更高要求。尤其是一些极端条件下的测量已成为现代认识自然的主要手段，由于微弱信号检测（weak signal detection）能测量传统观念认为不能测量的微弱量，所以才获得迅速的发展和普遍的重视，微弱信号检测已逐渐形成一门边缘学科学。锁相放大器（lockin. Amplifier 简称 LIA）就是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器，它可用于测量交流信号的幅度和相位，有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度，可测量毫微伏量级的微弱信号，自 1962 年美国 PARC 第一个相干检测的锁相
2、放大器问世以来，锁相放大器有了迅速的发展，性能指标有了很大的提高，现已被广泛应用于科学技术的领域。关键字：锁相放大 课程设计 微弱信号检测Abstract：Along with sciences and technologys development, enables the measuring technique to obtain day by day the consummation development, simultaneously also sets a higher request. Especially under some extreme conditions survey
3、 has become the modern understanding natural principal means that because the weak signal detection (weak signal detection) can survey the traditional ideas to think cannot survey weak quantity, therefore only then obtains the rapid development and the universal value, the weak signal detection has
4、formed an edge study science gradually. Phaselock amplifier (lockin. Amplifier is called LIA) is examines the submergence in the noise weak signal instrument, it may use in surveying the exchange signal the scope and the phase, has the greatly strengthened barrage jamming and noise ability, has the
5、extremely high sensitivity, the measurable quantity millimicro bending down magnitudes weak signal, the American PARC first coherent detections phaselock amplifier has been published since 1962, the phaselock amplifier has the rapid development, the performance index had the very big enhancement, wi
6、dely was already applied in science and technology many domains.Keyword：The phaselock enlarges the curriculum project weak signal detection 2西华大学课程设计报告锁相增益放大电路目录前言 11. 设 计 原 理 .11.1 锁 相 环 简 介 11.2 用 途 .21.3. 工 作 原 理 .21.3.1 分 类 21.3.2 基 本 工 作 原 理 21.3.3 模 拟 锁 相 环 工 作 原 理 .21.3.4 数 字 锁 相 环 工 作 原 理 .3
7、2. 方案设计 .32.1 设计原理框图如下 .32.2 锁相增益放大电路 .32.3 LM311 整形电路 .42.4 相干检测及相敏检波器 .42.4.1 集成芯片 CD4046.72.4.2 相敏检波器 DG20192.5 参考通道102.6 信号通道 102.7 动态范围和动态储备 102.8 锁相放大器对噪声的抑制 112.8.1 等效噪声带宽.112.8.2 信噪比改善（SNIR）.132.8.3 锁相放大器的噪声.133. 锁相环测试 144. 原器件清单 155.总结 .163西华大学课程设计报告锁相增益放大电路6.参考文献 .17附一 原理图 181西华大学课程设计报告锁相增
8、益放大电路前言微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。本设计阐述了相关检测原理，锁相放大器(LOOKIN)的基本组成，以及锁相放大器的测试方法。1. 设 计 原 理1.1 锁 相 环 简 介锁 相 环 由 鉴 相 器 、 环 路 滤 波 器 和 压 控 振 荡 器 组 成 。 鉴 相 器 用 来 鉴 别 输 入 信 号Ui 与 输 出 信 号 Uo 之 间 的 相 位 差 ， 并 输 出 误 差 电 压 Ud 。 Ud 中 的 噪 声 和 干 扰 成 分被 低 通 性 质
9、的 环 路 滤 波 器 滤 除 ， 形 成 压 控 振 荡 器 （ VCO） 的 控 制 电 压 Uc。 Uc 作 用于 压 控 振 荡 器 的 结 果 是 把 它 的 输 出 振 荡 频 率 fo 拉 向 环 路 输 入 信 号 频 率 fi ， 当 二者 相 等 时 ， 环 路 被 锁 定 ， 称 为 入 锁 。 维 持 锁 定 的 直 流 控 制 电 压 由 鉴 相 器 提 供 ， 因此 鉴 相 器 的 两 个 输 入 信 号 间 留 有 一 定 的 相 位 差 。 PLL： phase Locked Loop 相 同 步 回 路 , 锁 相 回 路 ,用 来 统 一 整 合 时 脉 讯
10、 号 ,使 内 存 能 正 确 的 存 取 资 料 。 直 接 数 字 频 率 合 成 (DDSDigital Direct Frequency Synthesis)技 术 是 一 种新 的 频 率 合 成 方 法 ， 是 频 率 合 成 技 术 的 一 次 革 命 ， JOSEPH TIERNEY 等 3 人 于1971 年 提 出 了 直 接 数 字 频 率 合 成 的 思 想 ， 但 由 于 受 当 时 微 电 子 技 术 和 数 字 信 号 处 理技 术 的 限 制 ， DDS 技 术 没 有 受 到 足 够 重 视 ， 随 着 电 子 工 程 领 域 的 实 际 需 要 以 及 数
11、字集 成 电 路 和 微 电 子 技 术 的 发 展 ， DDS 技 术 日 益 显 露 出 它 的 优 越 性 。 DDS 是 一 种 全 数 字 化 的 频 率 合 成 器 ， 由 相 位 累 加 器 、 波 形 ROM、 D/A 转 换 器 和 低 通 滤 波 器 构 成 。 时 钟 频 率 给 定 后 ， 输 出 信 号 的 频 率 取 决 于 频 率 控 制 字 ， 频 率 分辨 率 取 决 于 累 加 器 位 数 ， 相 位 分 辨 率 取 决 于 ROM 的 地 址 线 位 数 ， 幅 度 量 化 噪 声 取决 于 ROM 的 数 据 位 字 长 和 D/A 转 换 器 位 数
12、。 DDS 有 如 下 优 点 ： 频 率 分 辨 率 高 ， 输 出 频 点 多 ， 可 达 个 频 点 (N 为 相 位 累 加 器 位 数 )； 频 率 切 换 速 度 快 ， 可 达 us 量 级 ； 频 率 切 换 时 相 位 连 续 ； 可 以 输 出 宽 带 正 交 信 号 ； 输 出 相 位 噪 声 低 ， 对 参 考 频 率 源 的 相 位 噪 声 有 改 善 作 用 ； 2西华大学课程设计报告锁相增益放大电路 可 以 产 生 任 意 波 形 ； 全 数 字 化 实 现 ， 便 于 集 成 ， 体 积 小 ， 重 量 轻 ， 因 此 八 十 年 代 以 来 各 国 都 在 研
13、制 和 发 展 各 自 的 DDS 产 品 ， 如 美 国 QUALCOMM 公 司 的 Q2334， Q2220； STANFORD 公司 的 STEL-1175， STEL-1180； AD 公 司 的 AD7008， AD9850， AD9854 等 。 这 些 DDS芯 片 的 时 钟 频 率 从 几 十 兆 赫 兹 到 几 百 兆 赫 兹 不 等 ， 芯 片 从 一 般 功 能 到 集 成 有 D/A转 换 器 和 正 交 调 制 器 。 PLL： Phase Locked Logic 相 同 步 逻 辑 锁 相 环 的 用 途 是 在 收 、 发 通 信 双 方 建 立 载 波 同
14、 步 或 位 同 步 。 因 为 它 的 工 作 过 程是 一 个 自 动 频 率 （ 相 位 ） 调 整 的 闭 合 环 路 ， 所 以 叫 环 。 锁 相 环 分 模 拟 锁 相 环 和 数 字锁 相 环 两 种 。1.2 用 途锁 相 环 最 初 用 于 改 善 电 视 接 收 机 的 行 同 步 和 帧 同 步 ， 以 提 高 抗 干 扰 能 力 。 20世 纪 50 年 代 后 期 随 着 空 间 技 术 的 发 展 ， 锁 相 环 用 于 对 宇 宙 飞 行 目 标 的 跟 踪 、 遥 测和 遥 控 。 60 年 代 初 随 着 数 字 通 信 系 统 的 发 展 ， 锁 相 环
15、应 用 愈 广 ， 例 如 为 相 干 解 调 提取 参 考 载 波 、 建 立 位 同 步 等 。 具 有 门 限 扩 展 能 力 的 调 频 信 号 锁 相 鉴 频 器 也 是 在 60年 代 初 发 展 起 来 的 。 在 电 子 仪 器 方 面 ， 锁 相 环 在 频 率 合 成 器 和 相 位 计 等 仪 器 中 起 了重 要 作 用 . 锁 相 环 技 术 目 前 的 应 用 集 中 在 以 下 三 个 方 面 ： 第 一 信 号 的 调 制 和 解 调 ； 第 二 信 号 的 调 频 和 解 调 ； 第 三 信 号 频 率 合 成 电 路 。1.3.工 作 原 理1.3.1 分
16、类锁 相 环 可 以 分 为 模 拟 锁 相 环 和 数 字 锁 相 环 。 1.3.2 基 本 工 作 原 理压 控 振 荡 器 给 出 一 个 信 号 ,一 部 分 作 为 输 出 ,另 一 部 分 通 过 分 频 与 PLL IC 所 产生 的 本 振 信 号 作 相 位 比 较 ,为 了 保 持 频 率 不 变 ,就 要 求 相 位 差 不 发 生 改 变 ,如 果 有 相位 差 的 变 化 ,则 PLL IC 的 电 压 输 出 端 的 电 压 发 生 变 化 ,去 控 制 VCO,直 到 相 位 差 恢复 !达 到 锁 频 的 目 的 !能 使 受 控 振 荡 器 的 频 率 和
17、相 位 均 与 输 入 信 号 保 持 确 定 关 系 的闭 环 电 子 电 路 。 1.3.3 模 拟 锁 相 环 工 作 原 理模 拟 锁 相 环 主 要 由 相 位 参 考 提 取 电 路 、 压 控 振 荡 器 、 相 位 比 较 器 、 控 制 电 路 等3西华大学课程设计报告锁相增益放大电路组 成 。 压 控 振 荡 器 输 出 的 是 与 需 要 频 率 很 接 近 的 等 幅 信 号 ， 把 它 和 由 相 位 参 考 提取 电 路 从 信 号 中 提 取 的 参 考 信 号 同 时 送 入 相 位 比 较 器 ， 用 比 较 形 成 的 误 差 通 过 控制 电 路 使 压
18、控 振 荡 器 的 频 率 向 减 小 误 差 绝 对 值 的 方 向 连 续 变 化 ， 实 现 锁 相 ， 从 而达 到 同 步 。 1.3.4 数 字 锁 相 环 工 作 原 理数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶 体 振 荡 器 、分频器、相位比较器、脉冲补抹门等组成。分频器输出的信 号 频 率 与所需频率十分接近，把它和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，比较结果示出本地频率高了时就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入一个脉冲，相当于本地振荡频率上升，从而达到同步。2. 方案设计2.1 设
19、计原理框图如下2.2 锁相增益放大电路锁相环放大器最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力. 而精密量测技术的发展，锁相放大器是基于微弱信号的相关检测原理，具有中心频率稳定，通频带窄，品质因数高等特点。是一种频率变换技术，给信号 A 乘以不同频率的正弦波 B，会产生它们的和与差的正弦波，即 2)cos()cs(sinBABA令 B 与 A 信号相同，则 s1si可产生直流和 2 倍交流信号，如引入相位和频率 2)cos()c()sin()si( ttt4西华大学课程设计报告锁相增益放大电路如 B 与 A 信号的相位和频率都相同，直流值变为最大；相差 900，直流值为 0。因此，
20、用频率相同的参考信号 B 乘以信号 A，通过滤波除去与信号 A 频率不同的成分即噪声，在原理上可构成具有无限大 Q 值的滤波器。在现代通信及信号处理中应用于检测淹没在噪声的微弱信号。2.3 LM311 整形电路输入信号送入 LM311 进行滞回比较，可较好消除边缘毛刺，实现低频信号整形。图为 LM311 的滞回比较电路图此电路将输入的信号通过运放及其他电阻、电容元件后，形成方波信号。首先，由第一级运放将输入信号放大再由第二级运放将正弦信号转换为方波信号。2.4 相干检测及相敏检波器相关反映了两个函数由一定关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。相关按概念分为自相关和互
21、相关，微弱信号中一般采用抗干扰能力强的互相关检测。设信号 为被检信号 和噪声 的叠加， 为与被检信号同步的参考信号 ，二者的相关函数为5西华大学课程设计报告锁相增益放大电路由于噪声 和参考信号 不相关，故 ,所以 。锁相放大器通过直接实现计算相关函数来实现从噪声中检测到淹没信号。锁相放大器的核心部分是相敏检波器（phasesensitive detector，简称 PSD） ，也有称它为混频器（mixer）的，它实际上是一个乘法器。加在信号输入端的信号经滤波器会晤调谐放大器后加到 PSD 的一个输入端。在参考输入端加一个与被测信号频率相同的正弦波（或方波）信号，经触发整形和移相变成方波信号，加
22、到 PSD 的另一个输入端。设加在 PSD 上的被测信号为 ，加在 PSD 上的方波参考信号 幅度为 1，若用傅立叶级数展开，则方波的表达式为， （n=0,1,2）.于是 PSD 输出信号为（241）从上式可以看出，包括下列各频率分量：（242）6西华大学课程设计报告锁相增益放大电路在正常工作情况下，参考信号的基波频率与被测信号的频率是相等的，即 。这时 PSD 的输出信号， 中含有直流成分 （243）,经低通滤波器（lowpass filter，简称 LPF）后，PSD 输出信号中的交流成分被滤去，只有直流成分 的输出，它的大小与输入信号和参考信号的相位差 有关，当 时，输出信号最大 （24
23、4）,可见，输出信号的大小还和被测信号的幅值成正比。由于参考通道由精密可调的移相器，不管参考信号和被测信号之间的相位差时多少，总可以调节移相器，使在 PSD 输入端 ，从而输出达到最大值，经过校准一般让输出最大时代表输入信号的有效值。当 时， 。由以上讨论可以看出，在被测信号中若混杂有相同频率而不同信号的干扰信号时，经过 PSD，会受到一定的抑制。（图 242）画出了 具有几个典型数值时的 、 和 的波形。从式（242）进一步看出，若输入信号为三次谐波，即出现了 的情况，这时 分量就是直流分量，其数值为 。图 2737西华大学课程设计报告锁相增益放大电路与 的基波情况相比，除大小降低 1/3
24、以外，其他情况都一样。同理，如果则相应的直流分量为（245）这表明被测信号中的奇次谐波成分在输入信号中仍占一定比例，或者说，PSDLPF 系统对奇次波的抑制能力有一定限度， （图 244）画出的 PSD 的谐波响应图。因此，在实际锁相放大器内，在信号通道中，还设置有高通滤波器、低通滤波器和调谐放大器，以便对混杂在被测信号内的干扰和噪声先进行一定的抑制，然后输给PSD，以便加强整个锁相放大器对噪声和干扰的抑制能力。图 244 PSD 谐波响应时间2.4.1 集成芯片 CD4046CD4046 是通用的 CMOS 锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为 3V18V） ，输入阻抗高(约 100M
25、)，动态功耗小，在中心频率 f0 为 10kHz 下功耗仅为 600W。外部附加电压电流变换电路可改善 VCO 特性。COMPIN3 VCOIN9SIGIN4 CX16CX27INH5 R111R212PCP 1PC1 2PC2 13VCOUT 4DEMOD 10ZEN 15U174HC4046C247nR110RR1415K Q22N3370109 6411U?A4156图 2-4-5 对相位比较器相位比较器是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要8西华大学课程设计报告锁相增益放大电路求不高，允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。它
26、提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，在相位比较器的两个输人信号之间保持 0相移。 对相位比较器而言，当 14 脚的输入信号比 3 脚的比较信号频率低时，输出为逻辑“0”；反之则输出逻辑“1” 。如果两信号的频率相同而相位不同，当输人信号的相位滞后于比较信号时，相位比较器输出的为正脉冲，当相位超前时则输出为负脉冲。在这两种情况下，从 1 脚都有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。从相位比较器输出的正、负脉冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差。而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时，相位比较器的输出为高阻态，则 1 脚输出高电平。上述波形如图 2-4-6 所示。由
27、此可见，从 1 脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以判断两个输入信号的情况了。 图 2-4-6 比较器的输入和输出信号的波形 CD4046 锁相环采用的是 RC 型压控振荡器，必须外接电容 C1 和电阻 R1 作为充放电元件。当 PLL 对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻 R2。由于 VCO 是一个电流控制振荡器，对定时电容 C1 的充电电流与从 9 脚输入的控制电压成正比，使VCO 的振荡频率亦正比于该控制电压。当 VCO 控制电压为 0 时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压 VDD 时，输出频率则线性地增大到最高输出频率。VCO 振荡频率的范围由 R1、R2 和
28、C1 决定。由于它的充电和放电都由同一个电容 C1 完成，故它的输出波形是对称方波。一般规定 CD4046 的最高频率为 1。2MHz(VDD=15V） ，若VDD15V，则 fmax 要降低一些。 CD4046 内部还有线性放大器和整形电路，可将 14 脚输入的 100mV 左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相位比较器。源跟踪器是增益为 1 的放大器，VCO 的输出电压经源跟踪器至 10 脚作 FM 解调用。齐纳二极管可单独使用，其稳压值为 5V，若与9西华大学课程设计报告锁相增益放大电路TTL 电路匹配时，可用作辅助电源。 综上所述，CD4046 工作原理如下：输入信号 Ui 从
29、14 脚输入后，经放大器 A1 进行放大、整形后加到相位比较器、的输入端，图 3 开关 K 拨至 2 脚，则比较器将从 3 脚输入的比较信号 Uo 与输入信号 Ui 作相位比较，从相位比较器输出的误差电压U 则反映出两者的相位差。U 经 R3、R4 及 C2 滤波后得到一控制电压 Ud 加至压控振荡器 VCO 的输入端 9 脚，调整 VCO 的振荡频率 f2，使 f2 迅速逼近信号频率 f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器，继续与 Ui 进行相位比较，最后使得 f2f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关 K 拨至 13 脚，则相位比较器工作，过程与上述相同，不再赘述2.4.
30、2 相敏检波器 DG201相敏检波器作为锁相放大技术中的乘法器，它的线性度和动态范 围决定了系统的弱信号检测水平。一般的模拟乘法器中，由于直流漂移的影响，不能在很宽的动态范围（120dB）进行精确的乘法运算。高速版模拟开关 IC DG201 是一个单片模拟开关，它能够提供高速、低错误的模拟开关效果，并且能够用逻辑电平进行控制。适合高速数据采集的要求。是建立在一个专有高电压硅栅进程。一般模拟开关设计时接通时间比断开时间慢，使得两点间的输入信号不短路。但是用作 PSD 等用途时，重要的是变换占空比或 OFF 的时间比相等，所以需要使用断开或接通时间都相等的模拟开关。10西华大学课程设计报告锁相增益
31、放大电路2.5 参考通道参考通道用于产生相干检测所需的和被测信号同步的参考信号。参考通道首先把和被测信号同频率的的任何一种波形的输入信号转换为占空比为 11 的方波信号，其频率和输入移相器的参考信号的频率 相同。现代的锁相放大器还可以给出频率为 2的方波信号，主要用于微分测量中相移电路可以精确地调节相位 ，使 PSD 中混频器的两个输入信号的相位差严格为零，获得最大的检波直流输出。方形信号通过移相器改变其相位，使得 PSD 输入的参考信号与被测信号同相位，即 。锁相放大器的PSD 的直流输出信号一般要经过滤波和直流放大，然后输出给测量仪表等2.6 信号通道。待检测的微弱信号和噪声混合在一起输入
32、低噪声前置放大器，经放大后进入前置滤波器，前置滤波器可以是低通、高通、带通或带阻滤波器，或者用这些滤波器的两种以上的组合构成宽带或窄带滤波特性，用于防止在严重的噪声或干扰条件下使 PSD 出现过载，滤波后的信号经过调谐交流放大器放大到 PSD 所需的电平后输入 PSD。2.7 动态范围和动态储备锁相放大器有几个标志其性能的临界电平：（1）最小可分辨信号电平（MDS） ；（2）满刻度信号输入电平（FS） ；（3）最大过载电平（VOL） 。这三个电平确定了仪器的几个重要性能指标： （dB）时指比满刻度输入信号大这11西华大学课程设计报告锁相增益放大电路么多倍（以分贝为单位）输入噪声仍然能够被仪器抑
33、制。 输出动态范围（dB）是指在确定的灵敏度的条件下满刻度输出时的输入信号大小与最小可分辨信号大小之比。 输入总动范围 （dB）是指在确定的灵敏度的条件下，最大噪声信号大小与最小可分辨信号大小之比，他是评价仪器从噪声中提取信号能力的主要参数。他们之间的关系可以用下图表示。信号通道内插入高、低通滤波器和调谐放大器有助于改善动态储备。改变滤波器的通带范围和放大器的放大倍数会影响动态储备和动态范围。测量中要根据输入信号的情况适当调节和选用。2.8 锁相放大器对噪声的抑制2.8.1 等效噪声带宽为了定量分析放大器抑制噪声的能力，我们先引入等效噪声带宽（equivalent noise band wid
34、th，简称 ENBW）的概念。考察如（图 275a）所示的最简单的 RC 低通滤波器，它以复数表示的传输系数（即输入输出信号之比）为它的模为（276）12西华大学课程设计报告锁相增益放大电路图 275 简单低通滤波器及其传输特性图 275 b 所示为 随频率而改变的关系。对于输入信号，滤波器的带宽通常定义为当传输系数 随频率改变而下降到 0.707（3dB）时的频率值 。由式可知 RC 低通滤波器的带宽为 。图 275 低通滤波器的等效噪声带宽对于输入噪声通常用等效噪声带宽（ENBW）来表征滤波器抑制噪声的能力。假定滤波器的输入为白噪声，即 到 频率范围内，噪声电压的均方值为其中： 为一与 无
35、关的系数。当噪声通过所讨论的低通滤波器时，可以求得输出噪声电压的均方值。另外，假定有一个理想的低通滤波器，其传输特性如图中 b所示。频率在 0B 之间传输系数的模等于所讨论的低通滤波器当 时传输系数的模，而当 时，传输系数的模为零。噪声通过此理想低通滤波器时，也可以求得输出噪声电压的均方值。如果两种情况下输出噪声电压均方值相等，则定义这时的 B 为所讨论的低通滤波器的等效噪声带宽。按以上定义（277）13西华大学课程设计报告锁相增益放大电路可见 RC 低通滤波器的等效噪声带宽 B 和时间常数 RC 成反比。显然，对于任何传输系数为 的低通滤波器（ 为实数） ，等效噪声带宽 B 都等于。128A
36、 型锁相放大器所用的低通滤波器也属于这种类型，因此 ENBMW 值 B 都等于 。该仪器的时间常数 RC 也可以从 1ms 改变到 100s。当时间常数为 100s时，等效噪声带宽 B0.0025Hz，这个数值相当小，如此小的带宽可以大大地抑制噪声。我们知道一般的调谐放大器或选频放大器想要把带宽做得这么窄是及其困难的，锁相放大器的特点在此就表现得非常突出了。对于 PSD，考虑到在基波附近 的输出噪声都将在输出端产生噪声分量，故 PSD的基波等效噪声带宽应为 RC 低通滤波器等效噪声带宽的 2 倍，即（278）对于白噪声，相应谐波等效噪声带宽为： ,总的等效噪声带宽为（279）国外仪器一般都用低
37、通滤波器的等效噪声带宽代替仪器总的等效噪声带宽，这是不太严格的。128A 型锁相放大器的等效噪声带宽采用的就是这类定义。从抑制噪声的角度来看，时间常数 RC 越大越好。但是 RC 越大，放大器反应速度就越慢，幅度变化较快的信号的测量将受到限制。所以在锁相放大器中用减小带宽来抑制噪声是以牺牲响应速度为代价的。在测量中应根据被测信号的情况，选择适当的时间常数，而不能无限度的追求越大越好。2.8.2 信噪比改善（SNIR）信噪比改善是指系统输入端信噪比 与输出信噪比 的比值，锁相放大器的信噪比改善常用输入信号的噪声带宽与 PSD 的输出噪声带宽之比的平方根表示：（2710）2.8.3 锁相放大器的噪
38、声锁相放大器自身的噪声将直接影响最小可测信号的大小。为了便于研究，通常将它折合为放大器输入端的噪声，决定改噪声的因素有：放大器的前级状况，信号源的14西华大学课程设计报告锁相增益放大电路内阻 以及工作频率。不同的 具有不同的热噪声；工作频率较低时， 噪声的影响较大。为了在使用中方便考虑锁相放大器的噪声，通常将折合到输入端的噪声绘制成噪声系数等值线图（简称 NF 图） 。噪声系数 NF 的定义为（2711）根据给定的工作频率 与源电阻 值，通过查 NF 图，即可得到锁相放大器最小检3. 锁相环测试根据这个系统的设计，我们对根据以下 4 个调试要点进行了调试：1.VCO 特性调试，接入参考信号，
39、（4046，4 足） ，200KHZ，应用频率计测量固有震荡频率 fv，此时发现，频率计显示值为 200KHZ，说明此时进入了锁定状态。2.C2 取 1000P，调整 R11，此时观察电压频率控制特性。通过观察可知，在一定范围内,震荡频率与控制电压呈现线性关系。3.调节参考输入信号的特性由高到低，记录锁定的频率。调信号源频率约为CD4046 的中心频率。示波器分别测 Ui 和 Uo，并以 Ui 作为示波器的触发同步信号，频率计测 Ui，这时示波器可显示两个稳定的波形，即 Ui 和 Uo 是锁定的。在一定范围内缓慢改变信号源频率，可看到两个波形的频率同时变化，且都保持稳定清晰，这就是跟踪。但当信
40、号源频率远大于（高端）或远小于（低端）CD4046 的中心频率时，但 Uo不能保持稳定清晰，这就是失锁。记下刚出现失锁时的 Ui 频率即高端频率 fHH 和低端频率 fHL，则同步带 fH = fHHfHL。4.在 CD4046 的 12 足附加电压电流变换电路，观察（示波器） 。VF 特性线性关系的范围变宽了，说明附加电压电流变换电路可使 VCO 可变范围得到飞跃性扩展。15西华大学课程设计报告锁相增益放大电路4. 原器件清单标称值 编号 数量/只1u C1, C3, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11, C13, C14 1147n C2 10.1u C4 14.7u
41、 25V C15 1100u 25V C16, C17 22SK30AGR Q1 11M R1 12K R2 14.7K R3, R7 510 R4 13.3K R5 1100 R6 11k R8, R13, R16, VR2, VR3 5470 R9, R10 2680K R11 133K R12 115K R14 11.3K R15, R17 210k R18, R19, R20, R21, R22, VR1 6uPC811 U1 1U3, U6, U7 3HC20 U3A 174HC20 U3B 174HC4046 U4 1HC74 U6A 1HC742 U6B 1NJM78L06 U8
42、 1NJM7805 U9 116西华大学课程设计报告锁相增益放大电路5.总结本文基于CD4046 的工作原理和器件特点，详细分解锁相环电路设计的参数选择问题。根据简化模型理论分析得到的电路参数值，仿真实际高阶环的CD4046 锁相环电路模型，得到的环路参数与设计目标非常吻合，与实验测试结果基本一致。因此，在锁相环电路设计中，通过合理的简化推导，能迅速地根据环路参数，如环路0dB 带宽、相位裕量等，确定环路的电荷泵电流和鉴相频率等，推导出环路低通滤波器的元器件参数值。同时，借用各种数学分析工具，如Matlab、Excel 等工具可以自动计算获取电阻、电容值，能迅速有效地进行CD4046 锁相环电
43、路仿真分析和设计。在此论文撰写过程中，要特别感谢贺老师的指导与督促，同时感谢他的谅解与包容。没有老师的帮助也就没有今天的这篇论文。17西华大学课程设计报告锁相增益放大电路6.参考文献1.康华光. 电子技术基础模拟部分(第五版). 高等教育出版社. 20062.吴运昌.电子线路基础.华南理工大学出版社.20073 高如云,陆曼茹,张企民,孙万蓉.通信电子线路M.西安：西安电子科学技术出版社，2002.74 杨霓清,高频电子线路M.北京：机械工业出版社，2007.25 姜晖.通信电子技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2003.86 严国萍.通信电子线路M.北京：科学出版社，200518附一 原理图
