微弱信号检测锁定放大器的设计

辽宁工业大学电子与信息工程学院 李光林 蔡坤良 李 凯 赵 凯 熊 辉

微弱信号检测锁定放大器的设计

辽宁工业大学电子与信息工程学院 李光林 蔡坤良 李 凯 赵 凯 熊 辉

介绍了一种锁定放大器的设计方案，可应用于微弱信号检测。该系统主要包括交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器及液晶显示等几个部分。其中交流放大器以INA128为主要构成部件，实现交流信号的放大从而作为带通滤波器的输入；带通滤波器用UAF42构成，实现对900Hz到1100Hz频带范围的滤波；相敏检波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信号经低通滤波器、直流放大器后输入显示电路，显示出被测信号的幅度及有效值。本设计功耗小、对无源元件误差灵敏度低、高增益放大，对抑制噪声，获得信号的恢复具有重要意义。

锁定放大；相敏检波；直流放大；MPY634

0 引言

随着科学技术的发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测越来越受到人们的重视，因而逐渐形成微弱信号检测这门新兴的分支技术学科，探索新的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一个热点。将有用信号从强背景噪声下检测出来的关键是设法抑制噪声，降低噪声的基本方法是设计锁定放大电路，利用相关检测技术，基于互相关原理，使输入待测的微弱周期信号与频率相同的参考信号在相关器的非相关噪声中的微弱有用信号检测出来。本设计实现了以相关器（乘法器和低通滤波器）为核心，通过自相关运算，使输出信噪比达到最大，实现微弱信号检测的目的。

1 系统的总体结构

锁定放大器的总体方案如图1所示，主要由信号通道、参考通道、相关器组成，其中相关器是核心部分。

图1 系统总体结构

信号通道是相关器前的一部分，由低噪声前置放大器，有源滤波器等部分组成。其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器的动态范围。除了被测信号外，需要有另一个信号(参考信号)送到乘法器中，参考通道的作用是产生与被测信号同步的参考信号输给相关器。通常锁定放大器参考通道的输出是和信号同步的对称方波，用以驱动相关器。参考通道主要是由触发整形电路、相移电路、方波形成电路和驱动级等几部分组成。和信号同步的参考触发信号，大部分是由外部输入的正弦波、方波、三角波、脉冲等各种波形的周期信号，触发电路要求有很大的触发电平范围和很宽的工作频率范围。相关器由相敏检波器(PSD)与低通滤波器组成，是锁定放大器的核心部件。相敏检波器将交流信号转换为直流信号的检波功能可用乘法器。两个频率相同的信号通过乘法器相乘运算后，信号频谱发生变化, 由原来只有一个频谱W分量, 变换为W=0直流和二倍频2W两个新的频谱分量，相敏检波器的输出通过低通滤波器将二倍频2W和其他交流分量全部滤除。锁相放大器的通带宽度取决于低通滤波器的时间常数，时间常数越长，带宽越窄，信噪比也就越高。为使输出满足要求，常常使用直流放大器对其输出进行放大。

2 系统的硬件设计

2.1 信号通道的设计

图2 交流放大器电路

图3 带通滤波器电路

图4 参考通道部分电路

交流放大器部分采用INA128三级同相放大电路放大。根据公式GB=1+50K/R，第一级放大16倍，第二级放大为26倍，第三级放大为26倍，三级相乘最终的放大倍数可达10816倍，由此每一级的电阻选择分别为3.3K、2K、2K。INA128的外围电路简单，输入阻抗高，同时能有效的抑制共模干扰，其电路图如图2所示。

带通滤波器部分的核心部件为UAF42芯片。UAF42是一款通用有源滤波器，可配置为低通、高通、带通滤波器。它使用了一种经典的状态可调的模拟结构，通过一个反向放大器和两个积分器。积分器包含上1nF电容。对于带通滤波器的设计，采用Filter42软件计算出外围电阻RF1=RF2=158K，达到中心频率为1000Hz，频带范围为950Hz—1050Hz的滤波要求。其电路如图3所示。

2.2 参考通道的设计

采用LM324及外围电阻搭建而成，整个通道分为触发整形、移相、方波驱动三个部分。其电路图如图4所示。

2.3 相关器设计

相敏检波器主要部件为MPY634，其电路如图5所示。

图5 相敏检波器电路

低通滤波器同样采用UAF42构成，其外围电阻分别为44K、470K。

2.4 直流放大器设计

直流放大器采用常规器件LM324构成的同相比例放大电路，具有较高的输入阻抗。

2.5 显示电路设计

显示电路由MSP430单片机、TLV5618、ADS1115、液晶显示器等构成，实现对信号的有效值显示。

3 系统测试

经过测试，微弱信号放大器中心频率1000Hz，带宽950Hz—1050Hz，电路的输入阻抗Ri≥2MΩ， 检测并显示正弦波信号的幅度值，误差不超过5%。

表1 参数测试结果

4 结论

本文设计的锁定放大器功耗低、电路简单、抗干扰性强，可方便显示出被测信号的幅度及有效值。在实际应用中用途广泛，拥有很好的发展前景。

[1]高晋占．微弱信号检测[M]．清华大学出版社,2004．

[2]张金．电子设计与制作100例[M]．北京:北京电子工业出版社,2009．

[3]吴运昌．模拟电子线路基础[M]．广州:华南理工大学出版社,2004．

[4]阎石．数字电子技术基础[M]．北京:高等教育出版社,1997．

[5]王振宇．实验电子技术[M]．北京:电子工业出版社,2004．

李光林（1976—），女，山西太原人，副教授，从事现代电力电子技术在电力系统中的应用研究。