锁定放大器TI杯获奖作品

锁定放大器锁定放大器 摘要：摘要： 本系统是基于相敏检波(PSD)技术和 TI 模拟器件的锁定放大器(LIA)， 用于检 测高噪声环境下的 μV级信号。本设计通过电阻衰减网络和加法器实现强噪声干 扰待测微弱信号的模拟，微弱信号通过前级 INA33 和 OP27 适度放大后进入由 OP07 构造的 8 阶带通滤波器，滤波器输出信号输入后级的相敏检波器，相敏检 波器是由模拟开关 TS5A3159 构造的开关乘法器，相干波经由 LM358 构造的模 拟移相电路与信号相乘， 输出信号经由 OP07 构造的2 阶低通滤波得到直流分量， 再经过直流放大器后送入 MSP430 单片机处理，计算后将结果显示在 TFT 彩屏 上。经测试，本系统可准确地测出信号有效值，达到设计要求。 关键字：关键字：锁定放大器 微弱信号相敏检波器 1.1. 方案选择与论证方案选择与论证 1.1 方案选择与论证 方案一：采用两路正交的同步相干解调电路实现相敏检波，这样无需考 虑相干波的相位是否与输入被测信号同相即可检测，但是两路相干波相位必 须严格满足 90°相位差，有一定的实现难度。 方案二：采用可连续移相的移相电路与单路相敏检波器的实现方案，连 续移相使得相敏检波器可以准确调节相干波与信号同相，从而测出正确的信 号大小。 综上方案，选取方案二作为基本方案。 1.2 总体设计思想 参考信号 Signal 输入后分两路，一路进入信号通道，一路送参考通道。 Signal 在信号通道中经衰减获得待测微弱信号，送加法器与干扰叠加；且干 扰信号 Noise 也经过同结构纯电阻网络分压，叠加了干扰的微弱信号经两阶 带通滤波器滤波后送相敏检波器处理。系统中是否引入干扰、干扰倍数可由 跳线帽控制，同时与之对应的交流放大倍数和直流放大电路由单片机 MSP430 控制继电器选择。信号 Signal 在参考通道中先经过移相电路移相， 使得与信号通道末的微弱信号相位一致，经触发整形生成驱动方波进入相敏 检波器处理。相敏检波器利用模拟开关实现检波，输出信号经2 阶低通滤波 和直流放大器得到直流分量。由单片机对直流电压进行计算、处理，得到对 应微弱信号的有效值，并将其显示在屏幕上。总体设计框图如图 1 所示。 Noise纯电阻分压网络 Signal纯电阻分压网络 交流放大及 带通滤波 PSD 低通滤波及 直流放大 TFT彩屏显示 移相器触发整形MSP430计算、处理 图 1 总体设计框图 2.2. 理论分析与计算理论分析与计算 2.1 相敏检波器 相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器，此处采用开关式乘法器。 相敏检波器（PSD）的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波，当两 个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大，亦 可在相位相反时进行检波，电路略有不同，本设计采用反相。图2 为相敏检 波器的基本框图。 图 2 PSD 基本框图 PSD 工作过程如下:设输入信号。 参考输时幅 度为其周期为 T， 角频率为， 根据傅里叶分析的方法，的方波， 这种周期性函数可以展开为傅里叶级数  r(t)  a 0 a m cosm 0t  b m sin 0t m1m1 可得 r(t)的傅里叶级数表示式为 (1)n1 r(t) cos[(2n1) 0t]   n1 2n1 4V r   u p (t)  x(t)gr(t)  2V sVr  2V sVr (1)n1 cos[(2n2)t ]  0  n1 2n1 (1)n1 cos(2n 0t  )  2n1 n1  上式右边第一项为差频项， 第二项为和频项。 经过 LPF 的滤波作用 的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩的差频项为 u p (t)  2V sVr  cos 当方波幅度时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即 当为+1 时，电子开关的输出连接到；当为-1 时，电子开关的输 出连接到，这时 LPF 的输出为 u o (t)  2V s  cos 当经过开关乘法器，角度之差为 0 时，输出信号最大。 2.2 带通滤波器 由 题意 ， 本题需要设计中心频率=1000Hz ， 3dB 频带范围为 900Hz~1100Hz 的带通滤波器。利用 TI FilterPro 软件辅助设计多反馈型 8 阶 切比雪夫 0.1dB 带通滤波器，幅频、相频特性如图 3。 图 3 幅频、相频特性 2.3 移相器 如图 4 所示，移相电路核心部分由电阻电容构成差分输出，可计算出其 观察幅频特性，对其取模，可知： 其中， 可见，图示移相电路具有结构简单、无额外增益、稳定性好的特点，且 传递函数为： 可以实现 0 到 180°相移。 图 4 移相器 3.3. 电路与程序设计电路与程序设计 3.1 电阻衰减网络 噪声衰减网络采用固定的 600 倍， 信号分为三档衰减， 分别为 6,000 倍、 60,000 倍和 600,000 倍，衰减电路均采用直接电阻衰减，如图 5。 图 5 衰减网络 3.2 加法器及交流放大器 如图 6，加法器通过交流放大器第一级实现，当需要与噪声做加法时， INA333 的负端输入不接地，改为接噪声，第一级的放大倍数为 30 倍。第二 级放大通过 MSP430 控制器放大倍数为 20、200 或 2000 倍实现分档，以对 应不同电压级别的微弱信号。 图 6 加法器和交流放大器 3.5 移相器 如图 7，未经衰减的信号经过由 LM358 构造的两级移相器进入比较器， 输出的方波进入后级 PSD。 图 7 移相器 3.4 带通滤波器 如图 8，带通滤波器的中心频率为 1kHz，带宽 200Hz，采用多反馈型的 切比雪夫 0.1dB 带通滤波器。 图 8 带通滤波器 3.5 相敏检波器 移相器输出的方波接入模拟开关的 IN（6 号引脚）端驱动 PSD，信号接 入 PSD.Sig，如图 9 所示。 图 9 PSD 3.6 低通滤波器 借助 Filter Solutions 设计 2 阶巴特沃斯低通滤波器如图 10，其频率 响应如图 11，PSD 的信号经过低通后只留下了直流部分。 图 10 低通滤波器 图 11 低通滤波器频率响应 3.7 直流放大器 为了使 MSP430 的 ADC 输入电压为最合适范围，设置直流放大器的输出 电压范围为 2~3V，输出与输入的关系为 Vout = 4.1*Vin + 0.8，直流放大器电 路如图 12。 图 12 直流放大器 3.8 采样与显示电路设计 本系统的 AD 采样和显示电路使用 MSP430 开发板，内部自带的 AD 转 换。显示模块为 TFT 彩屏，具有高清分辨率，支持 SPI 使得其具有很快的速 度且占用的 IO 资源少。 ADAD 采采样输样输 入入 MSP-EXP430F5529MSP-EXP430F5529 LPLP TFTTFT 液晶控制信号液晶控制信号 TFTTFT显示器显示器 LaunchpadLaunchpad 4.4. 测量结果测量结果 实际测量结果如表所示。 4.1 无干扰情况 理理 论论 值值 (mV)(mV)