基于锁定放大器的微弱信号检测系统设计
基于Simulink的锁相放大器微弱信号检测仿真分析
基于Simulink的锁相放大器微弱信号检测仿真分析作者：赵淑平来源：《数字技术与应用》2012年第11期摘要：介绍了锁相放大器检测微弱信号的原理，并用Simulink对其进行了仿真实现，分析了白噪声及谐波噪声对信号的影响，从提高输出信噪比的角度对检测参数设置进行了分析，为锁相放大器的设计提供了参考依据。
关键词：锁相放大器微弱信号检测 Simulink 信噪比中图分类号：TN98 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0051-031、引言微弱信号检测技术是利用一系列信号处理方法，来提取和测量强噪声背景下的微弱信号，从而提高检测系统输出信号的信噪比，需要研究噪声幅度、频率、相位等的规律，同时分析信号频谱、相干性等特点[1]。
锁相放大器（Lock-inAmplifier，LIA）在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，它利用互相关检测原理，将待测信号和参考信号在相关器中实现互相关，实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪，在科学研究的各个领域得到了广泛的应用[2，3]。
2、锁相放大器检测微弱信号的原理2.1相关接收锁相放大器采用互相关接收技术，使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级。
在相关接收中，可以把两个接收信号函数和以的相关函数表示为：（1）其物理意义为，两个信号相乘对时间再对事件取平均值，为两信号间的延迟时间。
因为接收的信号中包含有用信号成分以及噪声成分，那不妨设上述两个信号可以表示成：，。
所以式（1）可以表示成：最后可以简化为：（2）其中，，，分别为信号对信号、信号对噪声、噪声对噪声的相关函数。
由于噪声和信号是相互独立的，噪声之间也是相互独立的，则有，，，因此式（2）可以化简为：（3）上式的物理意义为：两个有用信号都是和噪声混在一起的，但总的相关函数却等于两个有用信号的相关函数，即表示通过相关器（乘法器）之后可以把噪声滤去。
2.2锁相放大器的原理正交矢量型锁相放大器实现的结构原理图如图1所示。
基于数字锁相放大器的微弱信号检测技术
测信 号和 参 考信 号的 采样 、 数 字 滤波及 数 字相 关解 调 ， 实现 ｎ Ｖ级 幅度 的微弱 正 弦信 号的检 测 。最后 通过 Ｓ Ｉ ＭＵ Ｌ Ｉ Ｎ Ｋ试验 仿真 ， 分析 采样 点数 与测 量精 度之 间的关 系 ， 验证 了 系统 的 准
确性 与 实用性 。 关键 词 ： Ｄ Ｓ Ｐ ； 数 字相敏检 波 ； 模数 转换 ； Ｆ Ｉ Ｒ数 字滤 波
ＬＩ ＡＮＧ Ｊ ｉ ｎ ． ｈ ｕｉ
ｆ Ｔ ｈ ｅ ２ ７ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ ｏ ｒ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 。 Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ４ ５ ０ ０ ４ ７ 。 ｈｉ Ｃ ｎ ａ ）
ｏ ｆ ＵＳ Ｂ ｃ ｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ．Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ， ｓ ａ ｍｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ —
中图分类 号 ： Ｔ Ｎ ９ １ １ ． ７ ２
文献标 识码 ： Ａ
Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｏ ｆ Ｗｅ ａ ｋ Ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｄｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ Ｌｏ ｃ ｋ ・ ｉ ｎ Ａｍｐ ｌ ｉ ｉ ｆ ｅ ｒ
第 １ 期
２ ０ １ ５年 ３月
电
用于微弱信号检测的锁定放大器设计
锁定 放大 器 能够 较 大程 度抑 制 噪声 ，首先 通 过调 制 器将 直 流或 慢变 信 号 的频谱 迁 移 到调 制 频 率 处， 进 行放 大 ， 以避开 ｌ ／ ｆ 噪声 的不 利影 响 ［ ２ ］ 。其 次利用 相 敏检测 器实 现调 制信号 的调 制 ， 利 用频 率和 相 角 进行 检测 ， 噪声 和信 号很 难达 到频 率 和 幅度 的一致 化 ， 设 计 低通 滤波 器 有高频 率 带宽 的性 能 ， 从而 能 大大减 弱 噪声信 号 的干扰 ， 因此 通 过最后 低 通滤 波器 的滤波 ， 能得 到微 弱 的原 始信 号 ， 便 于 我们 各个 方
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ８ － ７ １ ０ ９ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ２ ． ０ ０ ７
用 于微 弱信号检测 的锁定放大器设计
褚 凯 乐， 傅越 千 ， 谭 飚
（ 宁波工程学院， 渐江 宁波 ３ １ ５ ２ １ １ ）
ｕ ｐ （ ｔ ） ＝ ｘ （ ｔ ） ｒ （ ｔ ） （ １ ）
下面介绍输出 ｕ Ａｔ ） 和滤波器输出 Ｕ Ｏ （ ￡ ） 的输出。设被调制信号为
（ ） ＝ Ｃ Ｏ Ｓ （ ａ ， ｏ ｔ ＋ Ｏ ） （ ２ ）
摘 要 ：介 绍 一种 微 弱 信 号 检测 的方 法 ， 主 要基 于 模 拟 乘 法 器 芯 片 Ａ Ｄ ６ ３ ０作 为 相 敏 检 测 器 Ｐ Ｓ Ｄ， 对微弱信号的幅频
特 性 和 相 频特 性进 行 检 测 。 该 设 计 简 单稳 定 ， 精确度高 ， 应 用广 泛 ， 在 物联 网 应用 系统 和 科 学研 究 中有 很 大 的 应用 价 值 。
一种测量微弱信号的锁定放大电路设计
第26卷 第5期2002年10月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Journal of Wuhan University of Technolo gy(T r anspo rtat ion Science &Engineer ing )V ol.26 N o.5O ct.2002一种测量微弱信号的锁定放大电路设计刘红丽 李昌禧(华中科技大学控制科学与工程系 武汉 430074)摘要:分析了基于相关技术测量微弱信号的锁定放大电路的工作原理和各组成部分.针对非接触式基于多磁场涡流效应的D C 微小电流传感器,设计了一种实用的锁定放大电路,并进行了实验性研究.研究结果表明:采用了锁定放大电路DC 微小电流传感器可直接测量1mA 以下D C 微小电流,灵敏度可达20mV /mA.锁定放大电路不仅能测量周期信号,还能测量非周期信号,后者可通过调制的方法将其变成周期信号再进行测量.关键词:微弱信号;锁定放大电路;非接触式中图法分类号:T P 274 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中实现互相关,从而将深埋在大量的非相关噪声中的微弱有用信号检测出来,起着检测器和窄带滤波的双重作用.1 锁定放大电路的工作原理[1]锁定放大电路检测微弱信号采用了互相关原理,利用参考信号与输入的有用信号具有相关性,而参考信号与噪声互不相关,通过相敏检波及低通滤波完成互相关运算,从而达到抑制噪声的目的.互相关原理图如图1所示.图1 互相关原理图设输入信号 f 1(t )=s 1(t )+n (t )式中:s 1(t )为有用的输入信号,n (t )为噪声. 参考信号 f 2(t )=s 2(t )则二者的互相关函数为 R 12( )=lim T →∞12T ∫T-Tf 1(t )f 2(t - )d t = lim T →∞[12T ∫T-Ts 1(t )s 2(t - )d t + 12T ∫T-Tn (t )s 2(t - )d t ]= R s 1s 2( )+R ns 2( )=R s 1s 2( )(1) 由于参考信号与噪声不相关,当 →∞时,R ns 2()=0,因此互相关接收的只有输入信号与参考信号的相关输出,去掉了噪声项,提高了输出信噪比.互相关函数关键是两函数相乘,即s 1(t )×s 2(t ),通常可用锁定放大电路中的相敏检波器来完成.相敏检波器相当于模拟乘法器,其输出是输入信号和参考信号的乘积.在锁定放大器中,参考信号只能是和待测信号同步的方波.设实验研究用的非接触式DC 微小传感器的输出信号为带噪声的调幅正弦波 V i (t )=E i cos m t cos 0t +n (t ) =12E i cos ( 0+ m )t + 12E i cos ( 0- m )t +n (t )(2)式中: m 为调制频率; 0为载波频率;E i 为幅值;n (t )为噪声.参考信号的傅氏级数表示式为V R =E R4 ∑∞k =012k +1cos [(2k +1) 1t ](3)式中:E R 为方波的幅值;k =0,1,2,…; 1为方波基波频率.收稿日期:20020613 刘红丽:女,34岁,讲师,博士生,主要研究领域为传感器和检测技术相敏检波器的输出为V 01=V i V R =∑∞k =0E i E R(2k +1) cos [ 0+ m +(2k +1) 1]t +∑∞k =0E i E R(2k +1)cos [ 0+m -(2k +1) 1]t +∑∞k =0E i E R(2k +1)cos [ 0- m +(2k +1) 1]t +∑∞k =0E i E R(2k +1)cos [ 0- m -(2k +1) 1]t +∑∞k =04E R(2k +1)×co s [(2k +1) 1t ]n (t )(4) 从式(4)可以看出,相敏检波器的输出项的最后项为零,前4项包含了信号频率( 0+ m , 0- m )与全部方波基频 1的奇次谐波的和频与差频的大量谐波分量.在同步的情况下,相敏检波器的谐波响应与谐波数(2n +1)成反比.当输入信号的载波频率与参考信号频率的基波相等,即 0= 1时,分出k =0次项,则式(4)为 V 02=E i E R[cos(2 0+ m )t + co s(2 0- m )t +2cos m t ](5)由于载波频率 0远大于被检测信号的频率 m ,在相敏检波器的输出端接一个低通滤波器LPF,可滤掉高次谐波成分和V 02的前两项,其输出电压为调制信号,即V 03=c2E i E Rcos m t (6)式中:c 为常数.2 锁定放大电路的组成根据锁定放大电路的工作原理设计电路.锁定放大器可分为3个主要部分:信号通道、参考通道、相敏检波及低通滤波器LPF.其框图如图2.图2 锁定放大器的简化框图 信号通道由AC 前置放大电路、带通滤波电路及选频放大电路组成.其作用是将伴有噪声的输入信号放大,并经选频放大对噪声作初步处理.参考通道由方波发生电路和移相电路组成,其作用是提供一个与输入信号同相的方波,调整移相电路使参考信号与有用信号相位一致,从而信噪比改善为最佳.相敏检波的作用是对输入信号和参考信号完成乘法运算,得到二者的和频与差频的谐波信号,经过低通滤波器滤掉高次谐波和高频信号成分,这时的等效噪声带宽很窄,从而可以提取深埋在噪声中的微弱信号.精密交直流转换电路将低通滤波器输出的交流信号转换为直流电压,便于测量和与计算机接口.3 应用举例根据锁定放大电路的工作原理及组成,针对非接触式基于多磁场涡流效应的DC 微小电流传感器[2],设计了相应的测量电路,并进行了实验性研究.该传感器的测量电路方框图如图3所示. 正弦波发生电路采用高稳定性的RC 振荡电路[3],它们产生的调制信号f m 和载波信号f 0同图3 非接触式基于多磁场涡流效应的DC 微小电流传感器的测量电路・620・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2002年 第26卷时加在模拟乘法器M C 1496的输入端,该乘法器输出的调幅波电流信号i (t )经功率放大器TDA2030放大后直接加在非接触式基于多磁场涡流效应DC 微小电流传感器的激励绕组上.选择载波频率f 0=3910Hz ,调制频率f m =391Hz.传感器的输出为如式(2)所示带噪声调幅波.调制信号的幅值与被测DC 微小电流存在正比例的关系,只要检测出被调制信号的幅值,便可得到被测的DC 微小电流大小,从而达到测量的目的.前置放大器选择高精度自稳零斩波集成运算放大器ICL7650,其共模抑制比、电压抑制比、上升速度和开环增益均很高,外接元件少,使用较灵活,适宜对微弱信号进行放大.晶振和分频电路采用2M 石英晶振与分频器CC4020,产生方波信号,如式(3)所示,方波频率为7812kHz,与载波频率相等.0°～180°的移相电路使方波信号可在180°的范围内改变相位,与调幅波同相,使输出信噪比最大.相敏检波器采用高精度同步解调器AD 630,AD 630相当于一个模拟乘法器,将传感器的输出电压和参考的方波电压相乘,适用于从含有干扰噪声的调幅波中精密检出被调制的信号.AD630的输出电压如式(4).低通滤波器的中心频率选择为391Hz,可很好地滤掉相敏检波器输出信号中的高次谐波和高频信号,其输出电压如式(6).精密交-直流转换电路由全波整流电路和滤波电容组成,其作用是将低通滤波器输出的交流信号转换为直流信号,既便于用高精度的数字万用表进行直接测量,也便于对微弱信号的智能化测量.表1是将上述电路应用到非接触式基于多磁场涡流效应的DC 微小电流传感器上进行实验性研究所得到的实验结果.实验结果表明:该传感器的灵敏度可达20mV /mA ,精度为0.05%.由此可见,这是一种高精度、实用的锁定放大电路.表1 DC 微小电流传感器采用 锁定放大器的实验结果被测直流微小电流/mA锁定放大器输出电压/mV 1 20.3122 42.243 62.534 80.685 100.286 120.443 结束语锁定放大电路具有极强的抗噪声性能,它和一般的交流放大电路不同,输出的信号并不是对待测信号的简单放大,而是把待测信号中与参考信号同步的那部分信号放大检测出来,并变成相应的直流信号.该电路主要用来测量周期性电压或电流信号,对于非周期性的电压或电流信号,可通过调制方法将其调制成周期信号再进行测量.该电路还适用于其他一些微弱信号传感器,根据传感器输出信号的频率,只须改变正弦波发生电路以及方波发生电路的某些参数即可.参考文献1 曾庆勇.微弱信号检测.杭州:浙江大学出版社,1994.47～1052 刘红丽.一种非接触式DC 微小电流传感器的研究.武汉交通科技大学学报,1998,22(3):298～3003 李瑞麟.高稳定性的RC 振荡电路.电测与仪表,1992(9):37～38Design of Lock-in Amplifier Circuit to M easure W eak Sig nalLiu Hongli Li Changxi(Dep ar tment of Contr ol S cience &E ngineering ,H US T ,W uhan 430074)AbstractThis paper analy ses the o perating principle and every component of a lo ck-in amplifier (LIA)to measure weak signal adopting r elation technolog y.Being aimed at a non-contact type DC weak current sensor em plo ying multifield eddy -current effects ,a practical LIA is desig ned ,and the ex perimental re-searches are carried o n .The ex perimental result sho ws that the DC w eak current sensor adopting LIA can m easur e DC w eak current less than 1mA directly w ith sensitivity of 20mV /mA.LIA may not only measure per io dic sig nals,but also measure non-periodic signals after mo dulated to periodic signals.Key words :weak sig nal ;lock -in amplifer ;non contact type・621・ 第5期刘红丽等:一种测量微弱信号的锁定放大电路设计。
基于微弱交流信号检测的锁相放大系统设计
好 的 检 测 到微 弱 的输 入 信 号 ， 抗＿ 十扰 能 力强 ， 即 使输 入 信 的 幅 值 与 噪 声 信 号 的 幅 值足 同 的 。
致 其 通 频带 不能 ｛ ｛ ｆ ｆ 盖 信 号频 率 ， 使 得 测 量 系统 无 法 稳 定 町靠 的进 行测量 。 在这 种 情 况下 ， 利 用 锁 相放 大 器可 以很 好解 决 上 述 问题 。
ａ ｍ ｐｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｉ ｓ ｄｅ ｓｉ ｇｎ ｅｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐａ ｐｅ ｒ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄ ｓ： ｗｅ ａｋ ＡＣ ｓｉ ｇｎ ａｌ ｄｅｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏｎ， ｌ ｏ ｃｋ －ｉ ｎ ａ ｍ ｐｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ， Ｌａ ｂｖ ｉ ｅｗ， ｎ Ａ ｌ ｅ ｖ ｅｌ
比， 之 后 再进 行 解 调 和低 通 滤波 ， 以得 到放 大 了 的 被测 信 号 。 对 于
图 １ 仿 真 系统 结 构
仿 真结 果 盘 『 ２所 示 ， １ 在 黑 暗 条 件 即 （ 紫 外 无 响应 ） ， 仿 真
所 检 测 出信 呼的 幅 值 为 １ ． ０ １ ４ ９ ３卜 ｊ 输 入 信 号幅 值 基 小 一 致， 、 有紫外响应叫 ， 仿 真所 检 测 信 号的 幅值 为 １ ． ５ ０ ３ ４ １ ， 期 望 的 幅 值 １ ． ５也 基 本 保 持 一 致 。由仿 真 的 结 果 看 ｛ 锁 相 放 火 器 能 够 很
微 弱信 号 主 要指 的是 容 易 被 噪 声 淹 没 的 信 号 ， 通常基于 Ｂ — Ｇａ ２ ０ 。 的 光 电探 测 器 的交 流 电 流 为 ｎ Ａ或 ｐ Ａ 级 别 ， 极 易 受 到 噪声干扰 ， 而锁｛ ： ｝ ｊ 放 大 器 在 微 弱 信 号 检 测方 面 具 有 优 秀 的 性 能 ， 在 微 弱 信 号 检测 领 域 得 到 了广 泛 的 应用 。 ￣ ＇ ｔ － ｘ ｔ ， 微弱信号检测 ， 利
1锁定放大器的设计
锁定放大器的设计贾硕，李昊政，刘文瑜(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要：本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，由信号通道电路，参考通道电路，相敏检波器，输出显示部分组成。
其中信号经电阻分压网络生成微小信号，再经过放大和参考通道的方波输入到AD630,AD630再输出直流量给单片机采样显示。
经测试，本系统能准确测量出强噪声背景下范围为10uf-1mV 的微弱信号，并在液晶准确显示，基本完成了题目要求。
本系统分压网络由精密电阻搭建的π型分压网络，简单快捷，稳定性高，移相运用了有源移相网络，实现了0到360度连续调节。
检测显示模块利用高性能MSP430单片机和高精度模数转换器ADS1118进行采样并经12864显示，美观大方。
关键词：微弱信号；相敏检波器；MSP430The Design of The Lock-in AmplifierJIA Shuo, LI Zheng-hao, LIU Wen-yu(College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001,China) Abstract:This system is a weak signal detection based on phase-locked amplifier device, the signal channel circuit, the reference channel circuit, phase-sensitive detector and the output display parts. The signals generated by partial pressure resistance network of tiny, then amplified and reference channel of square wave input to AD630, AD630 output straight flow show single-chip microcomputer sampling again. After the test, this system can accurately measure the strong noise background range of 10 uf - 1 mv weak signal, and the liquid crystal display accurately, basically completed the topic request. phase shift using the active phase shift network, implements the continuous adjustment 0 to 360 degrees. Detection display module using high-performance MSP430 single chip microcomputer and high precision adc ADS1118 samples and by 12864.Key words:weak signal; phase sensitive detector; MSP4301 设计任务1．1 任务设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器（LIA）。
基于数字锁相放大器的微弱信号检测
基于数字锁相放大器的微弱信号检测摘要：以数字锁相放大器为研究对象，利用信号的相关性和噪声的随机性的特点，应用相关检测方法通过运算，去除噪声，检测出微弱信号。
以强噪声背景下微弱信号检测的实际需要为出发点，研究数字锁相放大器在微弱信号检测中的应用。
采用基于LabVIEW的虚拟数字锁相放大器进行了实际的微弱信号测量，以达到去除噪声将混合在强背景噪声中的微弱信号检测出来的目的。
关键词：微弱信号检测；数字锁相放大器；LabVIEW1、引言本论文是研究如何从强噪声中提取有用的微弱信号，研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术，从而将其应用于各个学科领域当中。
研究噪声中微弱信号检测的原理和方法，是测量技术中的综合技术和尖端领域。
运用微弱信号检测技术可以测量到传统观念认为不能测量的微弱信号，如弱光、小位移、微震动、微温差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流等，使微弱信号测量精度得到很大的提高[1]。
2、基于LabVIEW平台的数字锁相放大器的基本原理锁相放大器技术是微弱信号检测的一种有效手段，它具有中心频率稳定，通频带窄，品质因数高等优点[2]。
LabVIEW是美国国家仪器公司（National Instrument,简称NI公司）推出的一门图形化编程语言，同时也是著名的虚拟仪器开发平台[3]。
为了提高性价比，利用美国国家仪器公司的软件LabVIEW开发出抗干扰能力强、性能可靠的锁相放大器[4]，数字锁相放大器利用信号的相关性和噪声的随机性的特点，应用相关检测方法通过运算，去除噪声，检测出微弱信号。
本论文采用的是基于LabVIEW的虚拟仪器设计的数字锁相放大器来对微弱信号进行分析和处理。
3、基于LabVIEW平台的数字锁相放大器设计根据数字锁相放大器互相关原理设计的基于LabVIEW平台的数字锁相放大器程序框图如图4.1所示。
数字锁相放大器的前面板如图4.2所示：数字锁相放大器的前面板的设计尽量符合真实仪器的效果。
基于锁相放大器的微弱信号检测教学实验平台设计
ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｉ ｍｐ ｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ，ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｓ ｅ ｌ ｆ － ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ｎ ａ ｒ ｒ ｏ ｗ－ ｂ ａ ｎ ｄ ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ． Ｄｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ，ｉ ｔ ｃ ａ ｎ ｈ ｅ ｌ ｐ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｅ ｎ ｔ ｓ ｔ ｏ ｂ ｅ ｆ ａ ｍｉ ｌ ｉ ａ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｃ ｋ － ｉ ｎ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｗｅ ａ ｋ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔｈ ｉ ｓ
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第 ３ ４卷
第 ２期
２ ０ ａ ｌ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｍａ ｎａ ｇ ｅ ｍｅ ｎｔ
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． ２ Ｆｅ ｂ ．２ Ｏ １ ７
中图分类号 ： ＴＮ９ １ １ ． ２ ３ ； ０４ ８ ４ 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ２ — ４ ９ ５ ６ （ ２ ０ １ ７ ） ２ － ０ ０ ８ ８ — ０ ５
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基于锁定放大器的微弱信号检测系统设计
作者：蒋碧波杨振国杨越
来源：《科技经济市场》2017年第04期
摘要：文章设计了一种基于锁定放大器的微弱信号检测系统，该系统以相敏检波器和单片机为核心，结合加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。
测试表明，该系统可以有效地用于噪声淹没的微弱信号检测。
关键词：微弱信号；强噪声；相敏检波
0.概述
微弱信号检测技术综合利用电子、信息学、计算机技术和物理学方法，研究导致噪声的原因和规律，以及被测信号的相关性，将被噪声淹没的微弱有用信号检测出来。
相较于生物芯片扫描法中扫描时间与检测灵敏度难以兼顾的缺点和微弱振动信号的谐波小波频域提取法的局限性来说，以锁定放大器为核心的微弱信号检测系统更有潜力。
用调制器将直流或渐变信号进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检测器检测频率和相位，利用窄带低通滤波器来抑制高频噪声，大大提高了稳定性，这些优点使得该项技术具有更加广阔的应用前景。
1.锁定放大器的原理
锁定放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成。
其基本思想是将与被测信号相同频率和相位关系的参考信号作为基准信号，使得只有与被测信号本身以及与参考信号同频和同相的噪声分量有响应，其他频率的噪声被抑制，从而能提取出有用信号。
若增加辅助前置放大器，锁相放大器增益可达220dB，能检测极微弱交流输入信号。
锁定放大器输出为直流电压信号，且正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。
与一般的带通放大器不同，锁相放大器具有极强的抗噪声能力。
系统的核心相敏检波器（PSD）的本质功能是对两个信号之间的相位进行检波，只有当同频同相信号输入时，为全波整流且输出最大。
2.系统总体设计
本系统总体框图如图1所示，系统由接收信号预处理通道、参考信号预处理通道、相关器及输出电路组成，其中核心部件相关器，它包括开关乘法器和RC低通滤波器；其中加法器由同相放大电路构成，实现噪声与待测信号相加，使得信号淹没在噪声环境中，然后经过衰减器
衰减约100倍，模拟接收方收到的信号，并送入以相敏检波器为核心的微弱信号检测电路。
参考信号经过移相电路和比较器，输出方波驱动开关管乘法器。
低通滤波器输出信号，经过直流信号放大后再通过单片机A/D转换，最后在显示系统显示。
3.参数选择及硬件实现
3.1前置放大电路
为了使微弱检测电路的输入阻抗大于或等于1MHz，放大倍数为96倍。
INAl28外围电路简单，输入阻抗高，并且有效抑制共模干扰，因此采用两片INAl28运放级联实现。
根据
INAl28运放放大倍数公式，第一级为同相放大电路，选择R G=10KΩ，放大倍数为6倍；第二级选择R G=3.3KΩ，放大倍数为16倍。
仿真结果图如图2所示。
3.2带通滤波器
利用低通、高通滤波器的串联，得到频率范围为900hz-1100hz的带通滤波器。
电路原理图及参数如图3所示。
3.3相敏检波器
如图4所示，带通滤波器的输出同时经过同相和反相跟随器后，输入到开关乘法器
CD4053；然后另一路将参考电源先经过移相网络，接着滤掉直流，然后经过用LM311构成的单限过零比较器，得到方波去驱动CD4053。
3.4低通滤波器
CD4053的输出最后经过由0PA4277构成的可调低通滤波器，该滤波器的R=IMHz，
C=luF，算出截止频率为1Hz，能够达到滤波的效果，具体电路为图5。
3.5直流放大电路
由运放构成直流放大电路，且放大倍数B=l+R2/R1，设定放大10倍，选择RI=2KΩ，
R2=18KΩ即可。
3.6触发整形部分
利用LM324运放设计过零比较器。
设定同相端参考电压为OV，将输入的信号与参考电压进行比较，当输入信号电压大于参考电压时，输出低电平；反之，输出高电平。
3.7移相器
移相原理图如图7所示，其传递函数推导如下：实际中选取RI=R2=R3=2KO。
4.程序设计
本设计使用TI指定单片机模块Launchpad完成，该单片机主要是将最后的可调低通滤波器的输出进行A/D采样。
为了提高测量精度，除了采用多次A/D取平均以外，还使用加权平均和曲线拟合；对于每次测量值乘以加权系数0.8加上前次采样值乘以权值0.2作为本次测量的结果，利用多次测量的结果按方程进行曲线拟合得到标定系数a和b。
最终根据得到的标定系数结合加权平均的结果计算出最终的测量值，送到液晶显示，流程图为图8所示。
6.结束语
微弱信号检测的原理和技术成熟，但设备比较复杂和昂贵。
基于锁定放大器的检测系统成本低，具有广阔的应用前景。
本系统将淹没在强噪声中的微弱正弦信号作为锁定放大器的输入信号，锁定放大器的输出恢复出正弦信号作为信号调理电路的输入信号源，对采集的数据做FFY分析，结果SNR、SFRD都符合理论计算的要求。
实验结果表明，该系统能有效检测预定带宽内微弱信号，具有一定的应用价值。