word基于相关检测的锁定放大器的设计颜涛509100318 吴明赞某某理工大学某某 某某210094摘要：相干检测技术是利用参考信号与有用信号具有相关性，而与噪声互不相关的性质,从而通过互相关系运算来削弱噪声，达到提高信噪比的1种微弱信息检测技术。相干检测技术是众多微弱信号检测技术中能够使信噪比改善最大，恢复信号原形的最优技术。关键词：微弱信号，相干检测，锁定放大Correlation-baseddetection of the design of lock-in amplifierAbstract:Yan Tao Wu Mingzan(School of Automatio n,NUST,Nanji ng210094,Chi na)The cohere nt detect ion tech no logy is the use of the reference sig nal and the usefulsignal has correlation with the nature of the noise unrelated to the relationship among the operations to weaken through the noise, to improve the signal to noise ratio of 1 kinds of weak in formati on detect ion tech no logy. Cohere nt detecti on tech no logy is the large nu mber of weak sig nal detect ion tech no logy that can make the greatest sig nal to no ise ratio to improve and restore-#-/6weak sig nal, cohere nt detect ion, Lock-i n Amplifier局部的设计思路，并由此研制了一款便于自 制的锁相放大器。the sig nal prototype of the best tech no logy.Key words:1引言微弱信号是指深埋在背景噪声中的极 其微弱的有用信号。随着科学技术的不断开 展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测(如、弱光、微温差、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视。而对于众多的微弱量一般都通过各种传感器、放大器作非电量 转换的，使检测对象变换成可测的电量。但微弱检测本身的涨落， 以与传感器的优劣与 检测系统的噪声影响， 从而影响总的检测效 果。目前，相干检测技术是使信噪比改善最 大，恢复信号原形最优的技术，同时也是众多检测技术中最成熟的技术。锁相放大器是在50年代开展起来的相 敏检波器的根底上开展起来的新型微弱光 电信号检测仪器，它用于测量深埋在噪声或 直流漂移中极其微弱的光电信号，在科学研究和工业生产中得到越来越广泛的应用。本文在分析锁相放大器的电路构成、工作原理和设计要求的根底上，本着准确、实用、稳 定、节约开支的原如此，提出锁相放大器各2锁定放大原理锁相放大器采用的是外差式振荡技术， 它把被测量的信号通过频率变换的方式转 变成为直流。即利用锁相放大器中的信号相 关原理，对两个混有噪声的周期信号进展相 乘和积分处理后，将信号从噪声中检测出 来，并达到通过互相关运算削弱噪声影响的 目的。设是伴有噪声的周期信号，即：X(t)= S(t)+ N ( t)=As in (wt) N (t)其中，N(t)为随机噪声，S(t)为有 用信号，A为其幅值，角频率为3,初相角 为0。参考正弦信号为：Y ( t)=Bsin(wt ) M (t)其中，B为其幅值，t是时间位移，M(t)为word-# - / 6随机噪声。如此两者的相关函数为:的。理论上已证明，当信号的频率和相位,Rxyt) lim1 :BsinWt ) M(t)AsinWt采用相干检测技术能使输出信噪比达到最ABcos(wt ) Rny (t)由于在被测量的信号里所包含的各种 信号分量中，参考信号丫的频率只与输入 的有用信号频率相关，与随机噪声N( t)的频率不相关，且有用信号S ( t)与随机噪声M (t)之间与噪声与噪声之间的频率也均相 互独立，所以它们的相关函数为零，即3锁相放大器结构分析锁定放大器一种利用相关检测技术实现微弱信号检测的仪器， 它能准确测量被掩 埋在噪声中的微弱信号。 锁相放大器的输入 为正弦波或方波交流信号，其输出为正比于 输入波形幅值的直流信号 。锁定放大器的根 本组成如图1，包括信号通道、参考通道、 相敏检测器PSD和低通滤波器Rn y(t)=O。于是，就有ABLPF等。Rny(t)cos(wt )。从而，令锁相放大器实现了从噪声中提取有用信号的目图1锁定放大电路的工作原理1信号通道对输入信号进展交流放 大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器 工作的电平，并且要滤除局部干扰和噪声， 以提高相敏检测的动态 X围。2参考通道的功能是为相敏检测器 提供与被测信号相干的控制信号，故参考输入必须是与被测信号相关的同频信号。参考通道的输出r(t)可以是正弦波，也可以是方 波，但为了防止r(t)的幅度漂移影响锁定放 大器的输出精度，r(t)最好采用采用占空比 为50%的方波开关信号，用电子开关实现相敏检测。3相敏检波器的输出通过低通滤波 器压缩带宽，大量的宽带噪声被滤除，使锁 相放大器具有很强的抑制噪声能力。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，对信噪比 的改善也就越高。信噪比的改善与时间常数 的平方根成正比。为使LPF的输出满足要求， 常常使用直流放大器对其输出进展放大。简言之锁相放大器就是将深埋在噪声 中特定频率的微弱信号提取出来并进展放大。4具体电路设计与分析同相输入端经低噪声放大与滤波后输出。为达到高性能电阻应选用金属膜电阻器，电容应选用云母电容器。Auuou7R2R1.、(R2Cw)21设计为可调11 100倍。图2前置低噪声滤波放大电路红外信号检测的前置低噪声放大滤波 电路如图2。OPA27是一种低噪声精细集 成运算放大器，具有共模抑制能力和电源噪 声抑制能力强以与高稳定、低失调、超低噪 声等特点。红外传感器输出的微弱电信号经其截止频率约为170H Z。为防止因噪声过大而使后级PSD过载这里其放大倍数增益t 尸 0.693(R a+ Rb)C由于红外传感器输出为频率固定的 60HZ的方波，可选用555时基电路构成方波 发生器产生频率为方波，作为参考信号的输 入。其电路如图3输出高电平时间tH和低电平时间tL的计算 方法如下：t lbC周期=t h+ t L= 0.693 (R a+ 2Rb)C图3参考信号产生电路经计算这里选取C=1uF, RA=0.1K,RB=12K.其输出频率为93*(RA+2RB)*C)=60HZ锁相环CD4046为数字锁相环（PLL）芯 片，内有两个PD VCO缓冲放大器、输入 信号放大与整形电路、内部稳压器等。它具 有电源电压X围宽、功耗低、输入阻抗高等 优点，其工作频率达 1MHz内部VCO产生 50%占空比的方波。锁相环 CD4046的一个 重要功能是：内部压迫、控振荡器的输出信 号从第4脚输出后引至第3脚输入，与从第 14脚输入的外部基准频率信号和相位的比 拟。当两者频率一样时同，压控振荡器的频 率能自动调整，直到与基准频率一样。-LJIT：图4参考信号锁定输岀电路图5相敏检波电路采用AD630组成电子开关式相敏检测器。其 电路组成如图5。参考方波信号有 CD4046 产生，待测信号有引脚1输入，参考方波信 号有锁相环CD4046实现，经相关运算后有 13引脚输出。4.5低通滤波电路相敏检测输出经低通滤波器得到所需直流 信号，再经直流放大调整是输出满足系统增 益要求。其电路如图6。相敏检测的输 出信号经U1A实现低通窄带滤波与放大，滤 除和频交流分量得到直流输出，其直流放大倍数为11,截止频率f 1=16H 乙2 R2C 1而后经电容C2平滑使其输出稳定的直流信 号经可调增益放大器 U2A做进一步后续处 理。其总的增益调节 X围为11220。图6低通滤波与直流放大电路在给定的工作频率下进展输入电阻匹配，以获得最优噪声特性。6完毕语锁相放大器是一种高性能的通用测量仪器，它能准确地测量被掩埋在噪音中的微 弱信号。随着科学技术的飞速开展，在电子学、信息科学、光学、电磁学、低温物理等 许多领域，越来越需要测量深埋在噪音中的 微弱信号。本文介绍了一种低本钱，灵活性 高的锁相器。参考文献1高晋占微弱信号检测清华大学系统总体电路原理图见附录。此电路 做到其输出增益可调1100 20000倍放大，动态X围大，测量灵敏度高能将几十 微伏的微弱信号进展准确提取放大。此电路针对特定频率的传感器信号即输出60HZ进展设计，故其频率特性不满足的传感器信 号无效。因为IC锁相环CD4046具有自动捕 捉输入信号频率的功能，故为改善其测量使 用X围可将CD4046的输入端接至前置放大 器的输出端使其自动跟踪所测信号频率，实现输入可调放大，此时。 在这种情况下当噪 声比拟严重时其输出性能可能会有所下降。 5在锁相放大器的应用中需要考虑 的假如干问题1. LIA的功能相当于一种抑制噪声能力 很强的交流电压表， 其输入是正弦波或方波 交流信号，输出是正比于输入波形幅值的直 流信号。如果被测信号不是交流信号，如此 需要用调制或斩波的方式将其变换成交流 信号。2. L IA的参考信号输入必须是与被测 信号相关的同频信号。 如果确实不能获得适 宜的同频参考信号，如此可用锁相环进展自 动频率跟踪检测。3. L IA的信号输入前置级放大器工作 参数的选择，必须根据放大器的噪声因子，4施风荣.锁相放大器的设计.某某工业职业技术学院学报7(3).2007.9.仪器仪表学报25(4)6 X 君里信号与系统M.:高等教育,2001.7 王松武.电子仪器原理与应用M.某某:某某工程,2001.8 宋启峰.电子测量技术M.某某:某某大学,2000.9 TRohe, W Beeker. A reyetal. J.NearIn frared Spec-trosc. 1998.10 Farme V.C.,The in frared spectra ofmin erals.Mi neral.Soe.Mo nog.1974, 411 DigitalFreque ncySyn thesizer-PhaseSen sitiveDe-tectorJ .I EEETra nsac tionsonln strume ntati onan dMeas-ure me nt,JUNE1998,37(2).word附