TDS用锁相放大器电路设计
锁定放大器的设计
目录1.摘要与系统方案选择2.设计原理与理论分析3.交流放大器4.有源带通滤波器5.硬件设计6.加法器7.二阶带通滤波器8.参考通道9.实验数据10.软件程序11.参考文献锁定放大器的设计摘要本系统以TI公司超低功耗MSP430G2553作为处理核心，进行控制和测量。
信号通道对调制正弦信号输入运用加法电路以后，先进行衰减10000倍，然后进行交流放大10000倍（一级放大100倍，二级放大100倍），让信号通过信号通道，一级放大用高精度仪表放大器 INA114对信号进行初步的放大，进一步提升系统的噪声抑制比，二级放大应用TI通用双运放OPA2237实现。
相敏检波模块（相敏检波器,低通滤波器和直流放大器）由数字电路用单片机来实现，参考信号通过自制的电阻分压网络降压和TI公司的LM324电压比较器实现移相器，调理后汇总进入数字检波模块最后显示出结果，顺利完成了题目要求。
关键词：微弱信号放大精密仪表放大器放大器数字检波一、系统方案与选择1.放大电路的选择方案一：选用普通运算放大器，价格便宜，技术成熟，操作难度小。
但是会将内部严重的噪声放大，共模抑制比一般，测量会存在很大的误差。
方案二：采用高精度仪表放大器INA114是一种通用的仪表放大器，尺寸小精度高，价格低廉，应用广泛。
对于系统的前端放大电路用INA114只需要一个外部电阻就可以设置,电路简单。
由于被测信号小，就要求前置放大器必须具备低噪声的特点，否则将由于放大器本身的噪声将使放大器的本身噪声将使信号淹没的更深。
另外，还要考虑前置放大器具备足够的放大倍数，强的共模抑制比。
综上，放大器信号通道要求具有低噪声和高效益的性能，而TI公司的仪表放大器IN114完美的达到了要求。
增益在1--10000之间的任意增益值, 共模抑制比高（G＝1000时为50dB）,失调电压低，漂移小（0.25uV∕°C）测量精准。
2.相敏检测装置的选择方案一：输出前的低通滤波器和直流放大器运用模拟电路来实现，电路简单操作容易，但是考虑到全局都用模拟来实现会带来较大误差。
第三部分 锁定放大电路设计与应用
Bi为相敏检波器前的选频放大器的带宽,也是输入到 相敏检测器的窄带噪声的带宽.Be为相敏检测器的等 效噪声带宽. (1) Be可做到很窄, Bi不可能太窄,从而使得相敏检测 器的信噪改善比较大,具有很好的抑制噪声作用. (2)即使Be =Bi,相敏检测器的相敏特性也对不同相位 的噪声具有一定的抑制作用,噪声和信号同频又同相 的概率很低.
锁定放大电路设计与应用
4.1 锁定放大概述
锁定放大器抑制噪声有3个基本出发点: (1) 用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频 率 0 处,再进行放大,以避开1/f噪声的不利影响. (2) 利用相敏检测器实现调制信号的解调过程,可以同 时利用频率和相角进行检测,噪声与信号同频又同相 的概率很低. (3) 用低通滤波器而不是用带通滤波器来抑制宽带噪 声.LPF的频带可以做得很窄,而且其频带宽度不受调 制频率的影响,稳定性也远远优于BPF.
锁定放大电路设计与应用
(4) x(t) 为正弦波含窄带噪声,r(t)为正弦波
x(t ) Vs cos(0t ) n(t ) n(t ) nc (t ) cosnt ns (t ) sin nt r (t ) Vr cos0t
窄带噪声及其正交分量的功率谱密度函数
锁定放大电路设计与应用
(3) x(t) 为正弦波含单频噪声,r(t)为正弦波
x(t ) Vs cos(0t ) Vn cos(nt ) r (t ) cos 0t up (t ) x(t ) r (t ) 0.5Vs cos 0.5Vs cos(20t ) 0.5Vn cos[(n 0 )t ] 0.5Vn cos[(n 0 )t ]
提取微弱小信号的锁相放大器试制提交文档
图 3 功能框图
上位机软件采用 LabVIEW 进行编写与处理数据。锁相放大的原理可以用 LabVIEW 进行仿真，其上位机软件可以用 LabVIEW 进行编写。如下图为 LabVIEW 仿真原理
图4
LabVIEW 仿真原理图
第四节
原题图和 PCB 以及 ADI 芯片演绎
完整原理图、PCB 布局、元器件清单以及程序请见论坛帖子附件，全部免费 下载。 第二、三节已经介绍锁相放大器原理了和仿真了。下面就是按照以上原理来 设计的。设计之中采用分模块设计。这样便于分析检查和排错。设计模拟锁相放 大器需模拟电路的功底较好。 4.1 整体模块原理图
第三节
方案设计
为实现低成本小体积的模拟式锁相放大器，来采集太赫兹时域光谱仪中的差 分探头产生的 THz 信号。通过核心器件 AD630（平衡调制解调器）做锁相放大， 以提取被噪声淹没的微弱 THz 信号，要求其动态范围宽，达到 100db 以上，能检 测 100pA 以上的信号。最终采集的信噪比需满足 60db 以上。电路的设计上均考 虑低噪声因素。 其实施方案如下：
R nf( ) E{[ni(t )][x i(t ) ni(t )]} R nx( ) R n( )
xi(t)与 ni(t)相互独立，则互不相关，因而为零。频率相同的信号相关度高，噪声 的相关性趋于 0。这是互相关检测的原理。
图 2 开关型相敏检测器(构成框图) AD630 内部即有此部分
4.4.2 锁相放大器输出信号
4.5 低通电路模块
本模块采用的低通滤波器为普通的四阶贝塞尔低通滤波器。低通滤波器选择 的运放为 OP2177，仿真亦用 ADI 版本的 Multisim，
如图为仿真结果。
最后测试低通滤波器输出，低通滤波器能将交流信号转为直流信号，幅度 约为-270mV。与信号源输出的幅值有一定的比例，这个需要计算。电路输出的纹 波噪声以及其他的噪声貌似有些大。可能由于低通滤波和 AD7190 的布局没搭配 好，以及滤波电容选的还有些小。这个原因还要继续查找。 4.6 ADC 转换模块 低通滤波完了， 出来的信号就要经过 AD 转换来实现。 本设计采用 24bit ADC， 型号 AD7190 芯片。此款芯片最高采样率 4.8KHz，对于小信号放大来说足够了， 特别是其低噪声，可编程放大模块，这个比较吸引人。其接口为 SPI 接口，但个 人认为貌似不是标准的 SPI 接口，DOUT/RDY,这个时序比较不爽。参考有网友编 写的 AD7190 程序，都是通过 MCU 软件模拟时序写的接口程序，没有一个用硬件 接口。于是自己用 MSP430 的 SPI1 口，在中秋节三天时间，研究 AD7190 文档和 MSP430 编写出硬件 SPI 接口程序，不过到现在还没来得及实际测试。芯片编译 通过没有错误。 论坛的附件会免费共享出代码。 不过等有时间在测试一下 AD7190 了。
锁相增益放大电路设计
摘要：随着科学技术的发展，使测量技术得到日趋完善的发展，同时也提出更高要求。
尤其是一些极端条件下的测量已成为现代认识自然的主要手段，由于微弱信号检测（weak signal detection）能测量传统观念认为不能测量的微弱量，所以才获得迅速的发展和普遍的重视，微弱信号检测已逐渐形成一门边缘学科学。
锁相放大器（lock－in. Amplifier 简称LIA）就是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器，它可用于测量交流信号的幅度和相位，有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度，可测量毫微伏量级的微弱信号，自1962年美国PARC第一个相干检测的锁相放大器问世以来，锁相放大器有了迅速的发展，性能指标有了很大的提高，现已被广泛应用于科学技术的领域。
关键字：锁相放大课程设计微弱信号检测Abstract：Along with science's and technology's development, enables the measuring technique to obtain day by day the consummation development, simultaneously also sets a higher request. Especially under some extreme condition's survey has become the modern understanding natural principal means that because the weak signal detection (weak signal detection) can survey the traditional ideas to think cannot survey weak quantity, therefore only then obtains the rapid development and the universal value, the weak signal detection has formed an edge study science gradually. Phase－lock amplifier (lock－in. Amplifier is called LIA) is examines the submergence in the noise weak signal instrument, it may use in surveying the exchange signal the scope and the phase, has the greatly strengthened barrage jamming and noise ability, has the extremely high sensitivity, the measurable quantity millimicro bending down magnitude's weak signal, the American PARC first coherent detection's phase－lock amplifier has been published since 1962, the phase－lock amplifier has the rapid development, the performance index had the very big enhancement, widely was already applied in science and technology many domains.Keyword：The phase－lock enlarges the curriculum project weak signal detection前言 (1)1. 设计原理 (1)1.1锁相环简介 (1)1.2用途 (2)1.3. 工作原理 (2)1.3.1 分类 (2)1.3.2 基本工作原理 (2)1.3.3 模拟锁相环工作原理 (2)1.3.4 数字锁相环工作原理 (3)2. 方案设计 (3)2.1设计原理框图如下 (3)2.2锁相增益放大电路 (3)2.3 LM311整形电路 (4)2.4相干检测及相敏检波器 (4)2.4.1集成芯片CD4046 (7)2.4.2 相敏检波器DG201 (9)2.5 参考通道 (10)2.6信号通道 (10)2.7动态范围和动态储备 (10)2.8锁相放大器对噪声的抑制 (11)2.8.1等效噪声带宽 (11)2.8.2信噪比改善（SNIR） (13)2.8.3锁相放大器的噪声 (13)3. 锁相环测试 (14)4. 原器件清单 (15)5.总结 (16)6.参考文献 (17)附一原理图 (18)微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。
锁相放大器设计
C题：锁定放大器的设计摘要：本设计对于检测微弱信号的锁存放大器进行论述，锁定放大器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频带范围的滤波过程，其误差小于20%；相敏检波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信号在输入低通滤波器经直流放大器放大后输入显示电路，显示出被测信号的幅度及有效值。
另外，在相敏检波器部分的方波驱动信号由参考信道的参考信号经触发整形、移相、比较而来。
同时，为了更好的检测出锁定放大器的性能，在信号的输入端增加加法器电路，实现被测信号与干扰信号的1:1叠加，当干扰信号的频率为1050Hz—2100Hz时，输出端的测量误差小于10%。
锁定放大器在实际应用中用途广泛，尤其对于微弱信号检测方向站着主导地位，随着科技的发展已渐渐的融入人类的生活之中，拥有很好的发展前景。
关键词：带通滤波器；相敏检波器；显示；方波驱动1 总体方案设计1.1方案比较与选择1.1.1微弱信号检测模块方案比较方案一：采用滤波电路检测微弱信号，通过滤波电路将微弱信号从强噪声中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，由此可见该方案不满足要求。
方案二：采用取样积分电路检测小信号，采用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善√N倍，但这种方法取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。
方案三：采用锁相放大器检测小信号，锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器等组成，其中相敏检波器(PSD)是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有良好的检波特性。
由于该被测信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适用于锁相放大器的工作情况，故选择方案三。
简易锁相放大器的设计-TIE2E中文社区
锁相放大器的原理锁相放大器L队(Lock．in Amplifier，简称L队)就是利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪。
它是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。
在测量中，噪声是一种不希望的扰乱信号，它是限制和影响测量仪器的灵敏度的白噪声和1／f噪声的低频噪声。
这些噪声是无法用屏蔽等措施消除的。
为了减少噪声对有用信号的影响，常用窄带滤波器滤除带外噪声，以提高信号的信噪比。
但是，由于一般滤波器的中心频率不稳，而且带宽和中心频率以及滤波器的Q值有关等原因，使它不满足更高的滤除噪声之要求。
根据相关原理，通过乘法器和积分器串联，进行相关运算，除去噪声干扰，实现相敏检波，锁相放大器采用互相关接受技术使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级。
另外，还可以用斩波技术，把低频以至直流信号变成高频交流信号后进行处理，从而避开了低频噪声的影响。
锁相放大器抑制噪声的性能如下：国内外生产的锁相放大器的等效噪声带宽厶在103Hz数量级，少数的可以达到4×104Hz，信号带宽2．55×106Hz，可见，仪器具有非常窄的信号和噪声带宽，通常带通滤波器由于Q值的定义，常规滤波器很难达到一些性能。
而锁相放大器被测信号和参考信号是同步的，它不存在频率稳定性问题，所以可以把它看成为一个“跟踪滤波器"。
它的等效Q值由低通滤波器的积分时间常数决定，所以对元件和环境的稳定性要求不高。
研究表明，锁相放大器使信噪比提高一万多倍即信噪比提高了80dB以上。
这足以表明，采用相关技术设计的锁相放大器具有很强的抑制噪声能力。
目前锁相放大器有如下特点：极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益可达101l(即220dB)，能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差，满刻度灵敏度达pV、nV甚至于pV量级。
由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声性能。
它和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。
锁相放大器的设计
锁相放大器的设计【摘要】本系统以超低功耗MSP430G2553作为处理核心，用OPA244、OPA2237、LM324N、LM3119等实现对微弱信号的检测。
该电路由信号调理模块、移相器模块、相敏检波器和数码管四个模块组成。
信号调理模块包括加法器，交流放大器，四阶带通滤波器，信号调理电路子模块，其具有微弱信号放大和调理、抑制干扰和噪声的作用。
移相器模块由多个比较器，积分器组成，实现与被测信号的同步，产生可180°移相的方波传输给MCU，由数码管显示被测信号的幅度。
【关键词】微弱信号;移相器;msp430;相敏检波器1.锁相放大器设计原理根据相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数f1（t）和f2（t）的相关函数定义为：它是度量一个随机过程在时间t和两时刻线性相关的统计参数，如果f1（t）和f2（t）完全没有关系，则相关函数将是一个常数。
下面我们设有两个信号x（t）、y（t）为：其中n1（t）、n2（t）为噪声，Vs（t）为待测信号，Vr（t）为参考信号。
则相关函数为：展开得：因为信号和噪声不相关，且噪声的平均值为零，所以都为零。
故：这样我们可以看到，两个信号经过相乘和积分处理后就可以把噪声抑制，锁相放大器的核心就是根据这个原理设计的。
2.设计方案的论证如图1所示，该方案将数字脉冲电位器用模拟移相器取代，其中移相器是由多个小模块依次作为输入产生不同的波形，最终实现将正弦信号调整为相位不同的方波信号。
且该处采用模拟器件容易实现，便于分级检测输出的波形，及时对硬件电路进行修正和改进。
图13.硬软件设计3.1 硬件的总体设计通过理论分析，该系统主要由由三部分组成，即：信号通道，参考通道和其他相关器。
加法器将被测信号S（t）和噪声信号n（t）以1：1叠加后通过电阻分压网络将叠加后的信号进行衰减。
信号通道由放大器和带通滤波器组成，其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器的工作电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器动态范围的性能;参考通道由触发整形和移相器组成，其作用是产生与被测信号同步的对称方波，再由方波驱动给相关器;相关器由数字相敏检波器组成，是锁定放大的核心部件，具有动态范围大、漂移小、时间常数可调等性能。
锁相放大器设计解析
C题：锁定放大器的设计摘要：本设计对于检测微弱信号的锁存放大器进行论述，锁定放大器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频带范围的滤波过程，其误差小于20%；相敏检波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信号在输入低通滤波器经直流放大器放大后输入显示电路，显示出被测信号的幅度及有效值。
另外，在相敏检波器部分的方波驱动信号由参考信道的参考信号经触发整形、移相、比较而来。
同时，为了更好的检测出锁定放大器的性能，在信号的输入端增加加法器电路，实现被测信号与干扰信号的1:1叠加，当干扰信号的频率为1050Hz—2100Hz时，输出端的测量误差小于10%。
锁定放大器在实际应用中用途广泛，尤其对于微弱信号检测方向站着主导地位，随着科技的发展已渐渐的融入人类的生活之中，拥有很好的发展前景。
关键词：带通滤波器；相敏检波器；显示；方波驱动1 总体方案设计1.1方案比较与选择1.1.1微弱信号检测模块方案比较方案一：采用滤波电路检测微弱信号，通过滤波电路将微弱信号从强噪声中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，由此可见该方案不满足要求。
方案二：采用取样积分电路检测小信号，采用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善√N倍，但这种方法取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。
方案三：采用锁相放大器检测小信号，锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器等组成，其中相敏检波器(PSD)是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有良好的检波特性。
由于该被测信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适用于锁相放大器的工作情况，故选择方案三。
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研究与设计 电 子 测 量 技 术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ第３５卷第４期２０１２年４月 ＴＤＳ用锁相放大器电路设计蒋 鹏 赵国忠（首都师范大学物理系ＴＨｚ实验室 北京 １０００４８）摘 要：小型或微型锁相放大器（ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）目前市场罕有，小型ＴＨｚ时域光谱仪（ＴＤＳ）需要此种仪器。
提出了一种ＬＩＡ设计方案，用于ＴＤＳ提取与ＴＨｚ波电场强度相关的信号。
将差分探测器的信号进行预滤波和放大，后接带通滤波器，同时斩波器输出的信号经移相与前者分别送入ＡＤ６３０的信号端和同步端。
锁相后信号经低通滤波器，送入ＡＤＣ。
ＡＤＣ采集的数据送至上位机进行二滤波处理。
整个ＬＩＡ系统放大微弱信号１ ０００倍左右，信噪比７００ｄＢ以上，电路板面积１１ｃｍ×５．５ｃｍ，达到基本指标。
关键词：锁相放大器；ＡＤ６３０；太赫兹探测；互相关；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中图分类号：ＴＮ９１１ 文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ＴＤＳＪｉａｎｇ Ｐｅｎｇ Ｚｈａｏ Ｇｕｏｚｈｏｎｇ（ＴＨｚ Ｌａｂ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃａｐｉｔａｌ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４８）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｍａｌｌ ｏｒ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＬＩＡ）ｉｓ ｒａｒｅ ｏｎ ｍａｒｋｅｔ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｍａｌｌ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（ＴＤＳ）．ＬＩＡ ｓｃｈｅｍｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ＴＤＳ ｔｏ ｅｘｔｒａｃｔ ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏＴＨｚ ｗａｖｅ ｆｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｓ ｔｏ ｂｅ ｐｒｅ－ｆｉｌｔｅｄ ａｎｄ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｅｄ，ｔｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈｂａｎｄ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ．Ｗｈｉｌｅ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｍ ｃｈｏｐｐｅｒ ａｒｅ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ＡＤ６３０ ｓ ｏｕｔｐｕｔ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ａｎｄｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｐｏｒｔ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ａｆｔｅｒ ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｓ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｌｏｗ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｔｈｅｎ ｔｏ ＡＤＣ．Ｔｈｅｎ ｉｔ ｉｓｐｕｔ ｉｎｔｏ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｆｏｒ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ａｆｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ １０００ｔｉｍｅｓ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ７００ｄｂ ＳＮＲ，ａｎｄｓｙｓｔｅｍ ｓｉｚｅ ｉｓ １１ｃｍｘ５．５ｃｍ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＡＤ６３０；ＴＨｚ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 本文于２０１２年３月收到。
０ 引 言作为一种精密的测试仪器［１］，锁相放大器被广泛的用在科研领域，尤其是在检测微弱小信号方面。
但灵活小巧，轻便的小型或微型锁相放大器市场少有，而一些便携式光谱仪则需要用到小型锁相放大器。
在ＴＨｚ时域光谱仪（ＴＤＳ）［２］，尤其是小型ＴＤＳ系统里，更需要小型或者微型锁相放大器。
太赫兹时域光谱仪已经在各种材料的检测领域应用广泛，例如爆炸物或者毒品的检测。
但是国内目前在小型ＴＤＳ系统的发展上出现一些瓶颈，系统中需要有小型锁相放大器。
１ 原 理锁相放大器是基于互相关检测原理（见图１）来实现从大背景噪声中提取微弱的有用信号。
当输入信号与参考信号频率完全一致的信号在乘法器的输出端得到直流偏量，其他信号在输出端都是交流信号，要是在乘法器后加一个低通滤波器，滤除交流分量，那么剩下的直流分量，而这个直流分量只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。
图１ 互相关检测原理２ 实施方案为实现低成本小体积的锁相放大器，采集太赫兹时域光谱仪中的差分探头产生的信号。
通过核心器件ＡＤ６３０（平衡调制解调器）做锁相放大，以提取被噪声淹没的微弱 蒋 鹏等：ＴＤＳ用锁相放大器电路设计第４期ＴＨｚ信号，要求其动态范围宽，达到１００ｄＢ，能检测１００ｐＡ以上的信号。
最终采集的信噪比需满足６０ｄＢ以上。
电路的设计上均需考虑低噪声及电磁干扰与电磁兼容性问题。
实施方案架构图，见图２。
图２ 设计模块 信号先经ＡＤ６２０放大，然后通过１．５ｋＨｚ的带通滤波器将信号送入ＡＤ６３０的信号输入端。
同时斩波器输出的信号经移相器移相后送到ＡＤ６３０的同步端。
ＡＤ６３０锁相芯片后接低通滤波器，滤除噪声，分出直流分量。
用２４ｂｉｔＡＤＣ采集直流偏量，并将数据通过ＲＳ２３２串口送至ＰＣ，用ＬＡＢＶＩＥＷ软件进行二次滤波处理。
３ 系统设计与各模块设计３．１ 总体模块整个模块采用自顶向下分模块设计，这样方便电路分析和管理。
模块的划分是按照第１节所述原理和第２节所述方案来设计。
各模块主芯片旁均加去耦电容［３］，且应用±１２Ｖ和±５Ｖ低噪声稳压电源，尽量压低噪声。
３．２ 前放模块前级用ＢＮＣ接头将差分探测器输出的微小信号接入进行放大。
此电路设计考虑ＲＦＩ干扰问题，在运放前加入防ＲＦＩ电路，在放ＲＦＩ干扰后在加入了高通滤波器，去除差分探测器的直流偏置。
ＡＤ６２０经典仪表运放［４］，噪声低、接口简单，只需一个电阻就可调整增益，其有很高共模抑制比。
到底是先滤波后放大信号，还是先放大后滤波，需要根据信号不同采取不同的策略。
由于差分探测器的信号，噪声和干扰比较大，因此就采取先滤波后放大的架构，这样能提高信号的动态范围。
因为输入的信号小至２．５ｍＶ，将此信号放大至２．５Ｖ左右，可以调整ＲＧ，使输入信号一次尽量放大到需要的程度，这也符合多级运放噪声分析理论。
另外第一级高增益还有个好处，ＡＤ６２０的带宽一定，增益越高，其截至频率越低，这样间接的起了一个低通滤波器作用滤除高频噪声。
前放模块如图３所示。
图３ 前放模块３．３ １．５ｋＨｚ带通滤波器ＴＤＳ系统上的光学斩波器斩飞秒光的频率一般设在１～２ｋΩ，因此本设计采用１．５ｋＨｚ双运放带通滤波器。
在高Ｑ因数和高频电路设计中，双放大器带通滤波器结构非常有用。
它的元件敏感性小，元件扩散效应低。
这种电路的显著特征是Ｑ值和中心频率几乎可以独立调节［５］。
通过Ｒ１０调节电路的谐振频率，Ｒ１１调节电路的Ｑ因数。
在这种拓扑结构中，使用双运放结构，如果２个运算放大器比较匹配，就可以降低Ｑ因数对放大器参数的敏感性。
图４所示双放大器带通滤波器在谐振点的增益为２。
运放芯片选ＯＰ２１７７低噪声双运放，同一个芯片内２个运放匹配就很好。
±１２Ｖ供电，这样能提高信号动态范围。
设计此模块时，先用ＡＤＩ版本的Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１１进行仿真［６］。
图５为此模块波特图，中心频率为６ｄＢ。
仿真结果与理论结果比较相符，但在实际中由于元器件有误差，所以实际中的频率有些偏差，这个在焊电路之前先要测试好电阻和电容值。
第３５卷电 子 测 量 技 术图４ １．５ｋＨｚ双放大器带通滤波电路图５ Ｂｏｄｅ图中心频率处约为６ｄＢ３．４ 锁相模块锁相放大模块如图６所示。
本模块采用ＡＤ６３０平衡调制解调器［７］进行设计，整个电路布局按照信号链布局。
ＡＤ６３０是硅单片集成电路，采用双极工艺研制，具有一个灵活的整流结构和激光微调薄膜电阻，准确度高、温度特性好。
具有极高的精度，非常低的通道串扰，高的共模抑制比和增益调节等优点。
此外宽通道带宽２ＭＨｚ，高转换速率４５Ｖ／μｓ，低通道串扰－１２０ｄＢ／ｋＨｚ，高闭环增益精度０．０５％，低通道失调电压１００μＶ，宽功率带宽３５０ｋＨｚ，可编程闭环增益±１和±２。
能从１００ｄＢ噪音中恢复信号，也用于同步检测、相位检测、二次检测、相敏检测、锁定放大以及二次波相乘。
使用ＡＤ６３０做同步鉴相器，接法简单灵活［８］。
图７是ＡＤ６３０锁相输出的信号。
参考信号与输入信号的相位相差１８０°，所以看到如图７所示的锁相放大输出的信号噪声比较小。
图６ 锁相放大模块蒋 鹏等：ＴＤＳ用锁相放大器电路设计第４期图７ 锁相放大器输出信号３．５ 低通滤波模块此模块采用四阶贝塞尔低通滤波器其通带内平坦且相位变化小。
此模块运放均使用ＯＰ２１７７运放，图８中ＯＰ２Ａ和ＯＰ２Ｂ合起来组成四阶贝塞尔低通滤波器。
图８中ＯＰ３Ｂ为２．５Ｖ电压跟随器，这个是为将低通滤波器输出的信号叠加到２．５Ｖ上下浮动，然后输给ＡＤＣ。
图中ＯＰ３Ａ为一个加减法器。
图８ 低通滤波器 低通滤波器能将ＡＤ６３０输出的周期信号转为直流信号，当增益调到１０００时系统约能将峰值为２．５ｍＶ的正弦波信号，放大到约２．５Ｖ。
３．６ ＡＤ数据采集模块此模块选择ＡＤ７１９０，２４ｂｉｔΣ－Δ型ＡＤＣ，ＳＰＩ接口，最高采样率为４．８ｋＨｚ［９］。
这个采样速度对于锁相放大器输出的信号来说是足够的，而高的位数对于提高信号的动态范围非常有用。
ＡＤＣ采集到的信号通过ＲＳ２３２发送至上位机做二次滤波处理。
另外此ＡＤＣ具有可编程增益功能（ＰＧＡ），从１～１２８倍可编程增益，２路差分输入，４路单端输入，也可配置成４路伪差分输入。
文章所述的设计方案是将ＡＤ７１９０的ＳＰＩ控制端单独引出，方便与不同的ＭＣＵ进行通信，方便以后移植。
应用ＭＳＰ４３０ｆ１４９芯片与ＡＤ７１９０进行通信，然后将ＡＤ７１９０采集到的数据通过无线串口发送至上位机。
而上位机采用ＬＡＢＶＩＥＷ［１０］进行通信和编程，进行二次滤波与数据处理。
３．７ 移相电路此模块将斩波器输出的参考信号移相，使参考信号与输入信号至同频同相。
运放采用ＯＰ２１７７采用普通ＲＣ移相电路只能对单频正弦信号或余弦信号进行移相，而对方波有微分或积分功能。
因此本文所述移相电路不能对方波进行移相，但对特定频率的正弦波具有移相功能，如图９所示。
图９ 移相电路 第３５卷电 子 测 量 技 术４ ＰＣＢ及低噪声设计方法ＰＣＢ设计采用双面板，选择供应的直流电源，纹波要小，这样信噪比才能提上去。
所述设计采用改进的±１２Ｖ与±５Ｖ直流稳压电源进行供电。
使其输出信号逼近６０ｄＢ。
ＰＣＢ根据各模块分割以及信号走向布局，模拟地与数字地分开［１１］。
采用±１２Ｖ供电是为提高输入信号的动态范围。