鎖相放大器的設(shè)計(jì)

郭新興 路彤輝 靳釗釗 樊遠(yuǎn) 郭文旭

【摘要】本系統(tǒng)以超低功耗MSP430G2553作為處理核心，用OPA244、OPA2237、LM324N、LM3119等實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)。該電路由信號(hào)調(diào)理模塊、移相器模塊、相敏檢波器和數(shù)碼管四個(gè)模塊組成。信號(hào)調(diào)理模塊包括加法器，交流放大器，四階帶通濾波器，信號(hào)調(diào)理電路子模塊，其具有微弱信號(hào)放大和調(diào)理、抑制干擾和噪聲的作用。移相器模塊由多個(gè)比較器，積分器組成，實(shí)現(xiàn)與被測(cè)信號(hào)的同步，產(chǎn)生可180°移相的方波傳輸給MCU，由數(shù)碼管顯示被測(cè)信號(hào)的幅度。

【關(guān)鍵詞】微弱信號(hào);移相器;msp430;相敏檢波器

1.鎖相放大器設(shè)計(jì)原理

根據(jù)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)f1（t）和f2（t）的相關(guān)函數(shù)定義為：

它是度量一個(gè)隨機(jī)過(guò)程在時(shí)間t和兩時(shí)刻線性相關(guān)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，如果f1（t）和f2（t）完全沒(méi)有關(guān)系，則相關(guān)函數(shù)將是一個(gè)常數(shù)。

下面我們?cè)O(shè)有兩個(gè)信號(hào)x（t）、y（t）為：

其中n1（t）、n2（t）為噪聲，Vs（t）為待測(cè)信號(hào)，Vr（t）為參考信號(hào)。則相關(guān)函數(shù)為：

展開(kāi)得：

因?yàn)樾盘?hào)和噪聲不相關(guān)，且噪聲的平均值為零，所以都為零。故：

這樣我們可以看到，兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)相乘和積分處理后就可以把噪聲抑制，鎖相放大器的核心就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。

2.設(shè)計(jì)方案的論證

如圖1所示，該方案將數(shù)字脈沖電位器用模擬移相器取代，其中移相器是由多個(gè)小模塊依次作為輸入產(chǎn)生不同的波形，最終實(shí)現(xiàn)將正弦信號(hào)調(diào)整為相位不同的方波信號(hào)。且該處采用模擬器件容易實(shí)現(xiàn)，便于分級(jí)檢測(cè)輸出的波形，及時(shí)對(duì)硬件電路進(jìn)行修正和改進(jìn)。

圖1

3.硬軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件的總體設(shè)計(jì)

通過(guò)理論分析，該系統(tǒng)主要由由三部分組成，即：信號(hào)通道，參考通道和其他相關(guān)器。加法器將被測(cè)信號(hào)S（t）和噪聲信號(hào)n（t）以1：1疊加后通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將疊加后的信號(hào)進(jìn)行衰減。信號(hào)通道由放大器和帶通濾波器組成，其作用是把微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相關(guān)器的工作電平，并兼有抑制和濾掉部分干擾和噪聲，擴(kuò)大儀器動(dòng)態(tài)范圍的性能;參考通道由觸發(fā)整形和移相器組成，其作用是產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)同步的對(duì)稱方波，再由方波驅(qū)動(dòng)給相關(guān)器;相關(guān)器由數(shù)字相敏檢波器組成，是鎖定放大的核心部件，具有動(dòng)態(tài)范圍大、漂移小、時(shí)間常數(shù)可調(diào)等性能。最后由LCD顯示被測(cè)信號(hào)的幅度。系統(tǒng)的整體框圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2

3.2 功能模塊

（1）加法器

①實(shí)現(xiàn)噪聲與信號(hào)的1：1疊加的原理（如圖3所示）

圖3 實(shí)現(xiàn)噪聲與信號(hào)的1：1疊加的原理框圖

參數(shù)的計(jì)算：

為了使運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電阻對(duì)稱平衡，要求R1//R3=R2//R4，輸出電壓的表示式為U0=（1+R3/R1）（K1U1+K2U2），其中K1=R4/（R2+R4），K2=R2/（R2+R4）。

②調(diào)理電路

由于帶通濾波器輸出的信號(hào)為雙極性的，而AD采樣的值必須是大于零的，通過(guò)調(diào)理電路將帶通濾波器輸出的信號(hào)和直流分量疊加使之成為單極性波。

（2）純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)

經(jīng)過(guò)加法電路后，輸出的電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓后輸出，通過(guò)調(diào)節(jié)R5/R6的比值來(lái)控制純電阻網(wǎng)絡(luò)的衰減系數(shù)。

（3）交流放大器

a.原理：

同相比例放大電路的輸入信號(hào)是從集成運(yùn)放的同相輸入端引入，輸出信號(hào)按比例放大，并與輸入信號(hào)同相。電壓放大倍數(shù)為。

b.交流放大器的實(shí)現(xiàn)：

通過(guò)該公式：

實(shí)現(xiàn)交流放大器的兩級(jí)放大，一級(jí)放大為40倍（該倍數(shù)可調(diào)節(jié)至100倍左右，且保證不失真），二級(jí)放大為25倍（該倍數(shù)可調(diào)節(jié)至100倍左右，且保證不失真），因此該二階放大器的放大倍數(shù)為40*25=1000倍。

（4）四階帶通濾波器

FilterPro軟件的使用：運(yùn)算放大器的一類應(yīng)用就是做有源濾波器，只需要輸入想要得到的濾波器參數(shù)，TI會(huì)幫助計(jì)算外圍電路中繁多的R，C值。

該四階帶通濾波器就是根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的濾波器 ，其幅頻特性曲線如圖4所示：

圖4 四階帶通濾波器的幅頻特性

（5）模擬移相器

模擬移相器的電路模塊如圖5所示。輸入1KHz的正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)零比較器（LM324），輸出占空比為50%的方波，經(jīng)過(guò)一級(jí)的積分器和遲滯比較器，輸出占空比可調(diào)的方波，再經(jīng)過(guò)一級(jí)的積分器，遲滯比較器和二極管輸出大于零的方波，最后將該方波作為時(shí)鐘信號(hào)輸送給MCU內(nèi)部的A/D。

圖5 模擬移相器電路圖

（6）數(shù)碼管顯示

采用數(shù)碼管顯示，其亮度高、體積小，編程較容易，資源占用較少。直接顯示幅度值。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要部分應(yīng)用模擬電路實(shí)現(xiàn)，只有相敏檢波器應(yīng)用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，因此，該處只對(duì)該相敏檢波器進(jìn)行說(shuō)明。相敏檢波器原理：給單片機(jī)內(nèi)部輸入一個(gè)幅度為1，頻率為1KHz的正弦信號(hào)。在方波的下降沿來(lái)臨時(shí)，開(kāi)始對(duì)該信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣，且每周期采6個(gè)點(diǎn)，若采118個(gè)點(diǎn)，則需采樣20個(gè)周期。兩次所采的點(diǎn)對(duì)應(yīng)相乘，由Sn?=（SnSinx）?+（Sncosx）?可求得信號(hào)的幅度。

4.四階帶通濾波器測(cè)試的數(shù)據(jù)與分析

頻率/Hz 增益

850 0.58

900 0.73

950 0.92

1000 0.993

1050 0.869

1100 0.67

1200 0.42

1250 0.36

結(jié)果分析：由表格中數(shù)據(jù)分析可知，信號(hào)通道的3dB頻帶范圍為900Hz-1100Hz時(shí)，誤差小。

5.總結(jié)

本系統(tǒng)屬于精細(xì)測(cè)量?jī)x器，其硬件電路，尤其是模擬部分電路的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。特別是前端微弱信號(hào)相關(guān)的電路，需要仔細(xì)處理各種細(xì)節(jié)問(wèn)題。另外電路設(shè)計(jì)上運(yùn)放電源端應(yīng)該加去耦電容去除電源紋波的影響。在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，難點(diǎn)不是在于各個(gè)模塊功能的實(shí)現(xiàn)，而是最終的組合。軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中至關(guān)重要的是，注意信號(hào)的同步。

參考文獻(xiàn)

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[4]http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/opa2277.pdf.

作者簡(jiǎn)介：

郭新興（1993—），大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，參加了2014年陜西省電子設(shè)計(jì)大賽，并參與了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目與學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。

路彤輝（1996—），大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，參加了2014年陜西省電子設(shè)計(jì)大賽，并參與了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目與學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。

靳釗釗（1995—），大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，參加了2014年陜西省電子設(shè)計(jì)大賽，并參與了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目與學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。

樊遠(yuǎn)（1994—），大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，參加了2014年陜西省電子設(shè)計(jì)大賽，并參與了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目與學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。

郭文旭（1993—），大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，參加了2014年陜西省電子設(shè)計(jì)大賽，并參與了陜西省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目與學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。