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

　　本設(shè)計(jì)對(duì)于檢測(cè)微弱信號(hào)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(gè)部分。其中，交流放大器以INA128為主要構(gòu)成部件，實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)900Hz到1100Hz頻帶范圍的濾波過(guò)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(hào)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(cè)信號(hào)的幅度及有效值。

　　另外，在相敏檢波器部分的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)由參考信道的參考信號(hào)經(jīng)觸發(fā)整形、移相、比較而來(lái)。同時(shí)，為了更好的檢測(cè)出鎖定放大器的性能，在信號(hào)的輸入端增加加法器電路，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)的1:1疊加，當(dāng)干擾信號(hào)的頻率為1050Hz—2100Hz時(shí)，輸出端的測(cè)量誤差小于10%。鎖定放大器在實(shí)際應(yīng)用中用途廣泛，尤其對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)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(lèi)的生活之中，擁有很好的發(fā)展前景。

　　一、鎖相放大器設(shè)計(jì)方案論述

　　對(duì)于幅度較小的直流信號(hào)或滿編信號(hào)，為了防止1/f噪聲和直流放大的直流漂移（例如運(yùn)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(hào)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(cè)信號(hào)。對(duì)于微弱的直流和慢變信號(hào)，調(diào)制后的正弦信號(hào)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(shí)際上往往很難實(shí)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(dòng)均會(huì)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(hào)頻率，使得測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定可靠地進(jìn)行測(cè)量。在這種情況下，利用鎖定放大器可以很好地解決上述問(wèn)題。

　　本設(shè)計(jì)為制作一個(gè)用來(lái)檢測(cè)微弱信號(hào)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(hào)放大后輸入帶通濾波器，帶通濾波器由UAF42構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)950Hz到1050Hz頻帶范圍的濾波過(guò)程，其誤差小于10%；然后，帶通濾波后的信號(hào)和同頻同相的方波參考信號(hào)送入乘法器，乘法器采用MPY634；再者，乘法器輸出的信號(hào)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(cè)信號(hào)的幅度有效值。

　　另外，在相敏檢波器部分的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)由參考信道的參考信號(hào)經(jīng)觸發(fā)整形、移相、比較而來(lái)。同時(shí)，為了更好的檢測(cè)出鎖定放大器的性能，在信號(hào)的輸入端增加加法器電路，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)的1:1疊加，當(dāng)干擾信號(hào)的頻率為1050Hz—2100Hz時(shí)，輸出端的測(cè)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(dòng)等模塊構(gòu)成。

　　鎖相放大器設(shè)計(jì)總體電路圖

　　二、各部分指標(biāo)的分析與計(jì)算

　　2.1、交流放大器

　　交流放大器部分采用INA128三級(jí)同相放大電路放大。根據(jù)公式GB=1+50K/R，第一級(jí)放大16倍，第二級(jí)放大為26倍，第三級(jí)放大為26倍，三級(jí)相乘最終的放大倍數(shù)可達(dá)10816倍，滿足設(shè)計(jì)要求；由此每一級(jí)的電阻選擇分別為3.3K、2K、2K。INA128的外圍電路簡(jiǎn)單，輸入阻抗高，同時(shí)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(guò)一個(gè)反向放大器和兩個(gè)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(jì)的一個(gè)重要的難題——獲得緊密對(duì)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(yùn)算放大器、匹配電阻和狀態(tài)可調(diào)雙極濾波極對(duì)所需的精密電容，以及四個(gè)獨(dú)立的精密運(yùn)放。對(duì)于帶通濾波器的設(shè)計(jì)，采用Filter42軟件計(jì)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(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)電流源通過(guò)鍵盤(pán)模塊輸入給定的電流值傳送給單片機(jī)，單片機(jī)在接收到信號(hào)后進(jìn)行處理運(yùn)算，并顯示其給定的電流值，然后經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換以輸出電壓，驅(qū)動(dòng)恒流源電路實(shí)現(xiàn)電流輸出，并將采樣電阻上的電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)補(bǔ)償算法進(jìn)行數(shù)值補(bǔ)償處理，調(diào)整電流輸出并驅(qū)動(dòng)顯示器當(dāng)前的電流值。最小系統(tǒng)核心為MSP430，將單片機(jī)的引腳用接口引出，電路圖如圖2.6中單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊所示。

　　圖2.6單片機(jī)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(gè)板上基準(zhǔn)和振蕩器，數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)I2C兼容型串行接口進(jìn)行傳輸，可以選擇4個(gè)I2C從地址。如圖2.7所示電路中，ADS1115的SDA與單片機(jī)P1.2口相接，SCL與單片機(jī)P1.3口相接。上接上拉電阻通過(guò)編程模擬ADS1115的通信時(shí)序?qū)崿F(xiàn)對(duì)ADS1115的操作。

　　液晶顯示電路設(shè)計(jì)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(gè)通道分為觸發(fā)整形、移相、方波驅(qū)動(dòng)三個(gè)部分。其電路圖如圖2.9所示。

　　2.8、自制電源設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)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(dòng)電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動(dòng)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(jì)

　　3.1 軟件流程設(shè)計(jì)

　　軟件流程圖如圖3.1所示

　　四、測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

　　4.1測(cè)試儀器

　　為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。使用儀器設(shè)備見(jiàn)表4—1。

　　4.2各部分電路測(cè)試結(jié)果

　　1）鎖定放大器的設(shè)定要求與測(cè)試結(jié)果如下：

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

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

　　（2）參考通道的輸出r（t）為方波信號(hào)，r（t）的相位相對(duì)參考信號(hào)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(hào)，r（t）的相位相對(duì)參考信號(hào)R（t）可實(shí)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(jì)要求。

　　（3）信號(hào)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(hào)通道的3dB頻帶范圍為900Hz~1100Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　（4）在鎖定放大器輸出端，設(shè)計(jì)一個(gè)能測(cè)量并顯示被測(cè)信號(hào)S（t）幅度有效值的電路。所測(cè)量的顯示值與S（t）有效值的誤差小于10%。

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

　　（5）在鎖定放大器信號(hào)S（t）輸入端增加一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的加法器電路，實(shí)現(xiàn)S（t）與干擾信號(hào)n（t）的1:1疊加。

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

　　（6）用另一信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)頻率為1050~2100Hz的正弦波信號(hào)作為n（t）

　　將其疊加在鎖定放大器的輸入端，信號(hào)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(duì)S（t）信號(hào)有效值測(cè)量的影響，測(cè)量誤差小于10%。結(jié)果：測(cè)量誤差在15%。未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（7）增加n（t）幅度，使之等于10S（t），鎖定放大器對(duì)S（t）信號(hào)有效值的測(cè)量誤差小于10%。

　　結(jié)果：測(cè)量誤差在22%。未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　2）測(cè)試結(jié)果分析未能完全滿足設(shè)計(jì)要求（6）和（7）。主要原因之一是，參考方波信號(hào)和帶通濾波器輸出信號(hào)的相位存在一定誤差；主要原因之二是，由于整體電路沒(méi)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(jì)對(duì)于檢測(cè)微弱信號(hào)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(gè)部分。鎖定放大器在實(shí)際應(yīng)用中用途廣泛，尤其對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)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(lèi)的生活之中，擁有很好的發(fā)展前景。

　　在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到了許多困難，開(kāi)始設(shè)計(jì)進(jìn)度比較慢，但通過(guò)仔細(xì)的分析和進(jìn)行多方面的調(diào)整后解決了問(wèn)題，從中我們對(duì)電子專(zhuān)業(yè)知識(shí)與技能得到了更多的理解與提高。比賽中三個(gè)人分工明確，積極配合，最終完成了設(shè)計(jì)，這使我們深刻地體會(huì)到了共同協(xié)作和團(tuán)隊(duì)精神的重要性。總之，這次比賽對(duì)我們每個(gè)人都影響非常深刻。