锁定放大器实验报告
锁相放大实验报告
【摘要】 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。
它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。
锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。
【关键词】锁相放大器 / 微弱信号 / 信息论 / 噪声【引言】锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器。
锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频率（参数输入频率）的信号幅值，而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。
这样我们可以利用参考信号把有用信号从待测信号中分离出来。
锁相放大器主要有三大部分组成：信号通道、参考通道、相关器。
如下图所示：信号通道包括低噪声前置放大器、有源滤波器、主放大器，它的作用是把微弱信号放大到足以推动乘法器的工作电平，并兼顾抑制噪声的功能。
参考通道是指从参考信号输入到乘法器输入之前的部分，它的作用是产生于被测信号同步的参考信号，通常参考通道输出的是与被测信号同步的对称方波，用以驱动乘法器工作。
锁相放大器的频率变换是通过乘法运算来进行的。
一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。
所以在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换。
由开关元件所进行的同步检波电路，称作PSD （相敏检波器，Phase Sensitive Detector ），这是组成锁相放大器的心脏部分。
实际电路存在各种噪声会影响实验的精确度。
锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF ）的截止频率来确定的。
锁相放大器的基本原理是相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数1()f t 和2()f t 的相关函数定义为：121()lim()()2TTT R f t f t dt Tττ-→∞=-⎰它是度量一个随机过程在时间t 和t τ-两时刻线性相关的统计参数，如果1()f t 和2()f t完全没有关系，则相关函数将是一个常数。
锁定放大器
实 验 四 锁定放大器
一、实验目的
1. 了解锁定放大器的原理及典型框图
2. 根据典型框图，连成锁定放大器
3. 熟悉锁定放大器的使用方法
二、实验原理
锁定放大器的基本原理：
相关器乘法
低通
锁定放大器分三部分：信号通道、参考通道、相关器
（1） 信号通道作用：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，扩大仪器动态范围。
（2） 参考通道：作用，产生于被测信号同步的参考信号输给相关器。
（3）
相关器是锁定放大器的核心，把放大后的输入信号与参考信号进行相关运算，达到
从噪声或干扰中检测有用信号。
锁定放大器相当于以为中心频率的带通放大器，等效信号带宽由相关器的时间常数决定
锁定放大器等效噪声带宽：
抑制噪声能力：
三、实验内容与测试
1. 锁定放大器对微弱电压信号的测试
2. 接通电源，预热，调节多功能信号源，输出正弦波。
频率1.1KHz ，电压100mv ，由精
密衰减器衰减输出100nv 微弱信号进行测量。
f s =1.1KHz ，V s =100nV ，T e =0.1s,Q=3 f s =1.1KHz ，V s =100nV ，T e =1s,Q=3
f s =1.1KHz ，V s =100nV ，T e =10s,Q=3
四、实验结论
(1)利用锁定放大器提取深埋在背景信号噪声中的信号时，加大时间常数，可以提高输出信噪比。
(2)在选择时间常数时，要考虑侧信号的响应时间，时间常数过长，将会把有用信号平均掉，使测量结果不能反映待测物理量，时间常数的选择需考虑信号响应速度和输出信噪比两个因素。
锁相放大实验报告
锁相放大实验报告锁相放大实验报告摘要本实验利用锁相放大器对微弱信号中的噪声进行抑制并对其进行检测，了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成；掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。
通过实验学会锁相放大器的使用，掌握利用锁相放大器来观察信号输入信号通道前后的幅值以及波形情况，获得相位角与电压、放大倍数与电压的关系，并且通过噪声的观察知道如何消除噪声。
关键词锁相放大器，通道，噪声带宽，信噪比正文锁相放大器己成为现代科学技术中必不可少的常备仪器。
国内72年南京大学首先从事这方面的研究工作，1974年研制成了第一台实验室样机，继后物理所等单位相继进行了这一方面的研究工作，1978年才有了工厂生产产品。
现在测量毫微伏量级的信号已是可能。
锁相放大器在涉及到微弱信号检测的各个领域都已得到了广泛的应用。
一、实验原理简析锁相放大器就是用来检测淹没在噪声中的微弱交流信号。
本质上，锁相放大器是一个具有任意窄带宽的滤波器，其频率调谐到信号的频率，排除掉大多数不需要的噪声而只允许被测量信号通过。
除了滤波，锁相放大器也能够提供增益，锁相放大器可以从噪声中提取比噪声小1000倍甚至10000倍的信号，锁相放大器的信噪改善比特别高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，有极髙的灵敏度。
1.相关检测原理所谓相关就是指两个函数间有一定的关系，如果他们的乘积对时间求平均（积分）为零，则表明这两个函数不相关（彼此独立）；如不为零，则表明两者相关。
由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都是采用互相关检测原理。
如果）（ltf和）（2 tf为两个功率有限的信号，则可定义其相关函数为：TTldttftfTR）（）（2/llim21）（由于噪声的频率和相位都是随机量，它的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。
因而可以认为信号和噪声，噪声和噪声之间是互相独立，相关函数为零，通过推导，则：YTrsdttvtTR）（）（2/1 lim）（由此可知，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。
锁相放大实验
浙师大近代物理实验报告锁相放大实验任希 物理081 08180123摘要：本实验提供了能够测量微弱信号的方法，即利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带话处理，抑制噪声，实现了对信号的检测和跟踪。
实验中利用了锁相放大器对微弱信号中的噪生进行抑制并对其进行检测。
通过该实验提升了我们对实验仪器的掌握能力，为以后的实验提供帮助。
关键词： 弱信号的检测 锁定放大 互相关检测原理引言随着科学技术和生产的发展，需要测量许多物理量的微小变化，例如：微弱电压、电流、磁场的变化，微小温度的变化，微小的电感，微小的电容，微小的位移、振动等，通常我们测上述微小的变化，可以用传感器将其转化为相应的电信号，然后对这些电信号进行放大，再被我们显示和记录。
但由于这些微小的变化通过传感器转换的电信号十分微弱，各种条件下的噪声和干扰很可能将这些微弱信号淹没，因此单纯的使用放大器将其放大，而且由于放大器本生的噪声会将我们需要的信号淹没得更深。
锁相放大器就是用来检测淹没在噪声中的微弱交流信号。
本质上，锁相放大器是一个具有任意窄带宽的滤波器，其频率调谐到信号的频率，排除掉大多数不需要的噪声而只允许被测量信号通过。
除了滤波，锁相放大器也能够提供增益，例如：一个100nV 的信号可以被放大而产生一个10V 的信号，增益为108。
锁相放大器可以从噪声中提取比噪声小1000倍甚至10000倍的信号，锁相放大器的信噪改善比特别高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。
实验原理相关检测原理，所谓相关就是指两个函数间有一定的关系，如果他们的乘积对时间求平均（积分）为零，则表明这两个函数不相关（彼此独立）；如不为零，则表明两者相关。
相关的概念，按两函数的关系又可分为自相关和互相关两种。
由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都是采用互相关检测原理。
如果)(1t f 和)(2τ-t f 为两个功率有限的信号，则可定义其相关函数为：lim 1/2()()12()T R T f t f t dt T l ττ=-⎰-→∞令：()()11()()()22()f t n t s t f t n t r t νν=+=+ 其中)(1t n 和)(2t n 分别代表于待测信号)(t s ν及参考信号)(t r ν混在一起的噪声。
锁相放大器实验报告BY陈群
锁相放大器实验报告BY陈群浙江师范大学实验报告实验名称锁相放大实验班级物理071姓名陈群学号07180116同组人刘懿钧实验日期09/12/1室温气温锁相放大实验摘要：锁相放大器(Lock-in amplifier, LIA)自问世以来，在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，它能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高，在科学研究的各个领域得到了广泛的应用。
它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理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。
因此，学生掌握锁相放大技术的原理与应用具有重要的意义。
关键词：锁相放大器微弱信号PSD信号引言：在进展一日千里的现代科技领域中，精密量测技术的发展对于近代工业有关键性的影响。
当我们研究的系统日趋庞大，交互作用复杂，但所欲了解的现象却越来越精细时，如何在一大堆讯号中获得我们真正想要的信息便成为一个重要的课题。
一般的线性放大器可以将微弱的电子讯号放大，但若我们所要的信号中伴随着噪声信号，则两者都会一起放大，亦即此伴随的噪声无法滤除。
尤其当噪声强度远大于所要的信号时，即必须藉助特殊的放大器以同时放大讯号并滤去噪声。
锁相放大器是一种能测量极微弱的连续周期性信号的仪器。
这些微弱信号可以小至数奈伏特(nV),其至隐藏在大它数千倍的噪声当中，亦能精确的测得。
连续周期性信号与噪声不同之处，在于前者具有固定的频率及相位，后者则杂乱无章。
锁相放大器便是利用所谓”相位灵墩侦测(phase-sensitive detection, PSD)”的技术以取得具有特定频率与相位的信号，而不同于此频率的噪声则被抑制下来，使输出讯号不受噪声影响。
实验方案：实验原理锁相放大器的基本结构如图所示，包括信号通道、参考通道、相敬检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)等。
信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敬检测器工作的平台，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敬检测的动态范圉。
近代物理实验报告—锁相放大器
锁相放大器【摘要】 锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。
本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。
【关键词】锁相放大器、微弱信号放大 一引言随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。
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。
它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。
锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。
它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。
自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。
二、实验原理 1、噪声在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。
这类信号检测的最终极限将取决于测量设备的噪声，这里所说的噪声是指干扰被测信号的随机涨落的电压或电流。
噪声的来源非常广泛复杂，有的来自测量时的周围环境，如50Hz 市电的干扰，空间的各种电磁波，有的存在于测量仪器内部。
在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1／f 噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动的涨落现象引起的。
从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。
2、相干检测及相敏检波器微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。
相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。
相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。
设信号f 1(t )为被检信号V s (t )和噪声V n (t )的叠加，f 2(t )为与被检信号同步的参考信号V r (t )，二者的相关函数为：()()()()[]()()()d )(21limd 21lim nr sr r n s 2112 τττττR R t t V t V t V T t t f t f T R TT T T T T +=-⋅+=-⋅=⎰⎰-∞→-∞→由于噪声V n (τ)和参考信号V r (τ)不相关，故R nr (τ)=0，所以R 12(τ)=R sr (τ)。
锁相放大器实验报告
锁相放大器实验报告【摘要】 随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。
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。
它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。
锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。
它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。
锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。
本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。
【关键词】锁相放大器；微弱信号放大；PSD 输出波形；谐波响应一 实验原理1.1 噪声在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。
这类信号检测的最终极限将取决于测量设备的噪声，这里所说的噪声是指干扰被测信号的随机涨落的电压或电流。
噪声的来源非常广泛复杂，有的来自测量时的周围环境，如50Hz 市电的干扰，空间的各种电磁波，有的存在于测量仪器内部。
在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1／f 噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动的涨落现象引起的。
从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。
1.2 相干检测及相敏检波器微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。
相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。
相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。
设信号f 1(t )为被检信号V s (t )和噪声V n (t )的叠加，f 2(t )为与被检信号同步的参考信号V r (t )，二者的相关函数为：()()()()[]()()()d )(21limd 21lim nr sr r n s 2112οτττττR R t t V t V t V T t t f t f T R TT T T T T +=-⋅+=-⋅=⎰⎰-∞→-∞→由于噪声V n (τ)和参考信号V r (τ)不相关，故R nr (τ)=0，所以R 12(τ)=R sr (τ)。
锁相放大器实验
2．原理
2.1理论
2.1.1相关接收
微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。相关是指两个函数间有一定的关系，相关按概念分为自相关和互相关。微弱信号检测中一般采用抗干扰能力强的互相关检测。相关函数是表征线性相关的度量。
3)相关器对不相关信号的抑制
连接实验线路，调节输入信号的信号源的频率为200HZ时，改变干扰信号的频率，观察相关器噪声电压输出，分析相关器对不相关信号的抑制能力。
4)相关器对噪声的抑制及信噪比改善
连接实验线路，先不加干扰信号，在输入信号与输出信号同相的情况下观察相干器“加法器输出”与“PSD输出”的波形，测量直流输出电压；加入白噪声信号后，再用“加法器输出”与“PSD输出”的波形观察信号与噪声相混的波形。测量信号源的输入信号的电压、白噪声输入电压，再测量出相关器输出的信号电压与噪声电压，计算输出信号的信噪比。
3.2相敏检波器的特性研究及信噪比改善测量
1)相敏检波器PSD输出波形和电压测量
连接实验线路，在输入信号与参考信号不同相位下，观察由PSD输出的波形；测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间的幅值及相位差 的关系，
2)相关器的谐波响应的测量与观察
连接实验线路，宽带移相器的输入信号接至信号源的“倍频 分频输出”，使得参考信号的频率为信号频率的1/n.在n分别为1,2,3,4,5,6,7的情况下，调节相移，记录直流电压输出最大值。
3)相关器对不相关信号的抑制
相位差为0°时，加法器输出峰峰值为0.32V，PSD输出峰值为0.16V，加法器输出波形和PSD输出波形如图8所示，
图8加法器输出波形和PSD输出波形
锁相放大实验报告
实验报告实验名称：锁相放大实验班级：物理学131班学号：13180118姓名：葛法熙指导老师：斯老师锁相放大实验报告一．实验目的1.了解相关器的原理，测量相关器的输出特性；2.了解锁相放大器的原理及典型框图；3.根据典型框图，组装锁相放大器，熟悉锁相放大器的使用方法二．实验原理锁相放大器是一种检测非常弱小信号的仪器，利用信号和外加参考信号的相干特性来去除噪声的影响，锁相放大器由信号通道、参考通道和相关器三部分组成。
信号通道把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和过滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器的动态范围。
参考通道是产生与被测信号同步的参考信号输出给相关器。
微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。
相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。
相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。
设信号f1(t)为被检信号Vs(t)和噪声Vn(t)的叠加，f2(t)为与被检信号同步的参考信号Vr(t)，二者的相关函数为：[]dt r t V t V t V Tdt t f t f TR rTTnsT TTT )()()(21lim)()(21lim)(2112-+=-=⎰⎰-∞→-∞→ττ)()(ττnr sr R R +=由于噪声)(τn V 和参考信号)(τr V 不相关，故0)(=τnr R ，所以)()(12ττsr R R =。
锁相放大器通过直接实现计算相关函数来实现从噪声中检测到被淹没信号。
当输入信号为)(t V A ，参考信号为)(t V B 则)cos(2)(A A A A t w V t V ϕ+=)cos(2B B B B t w V V ϕ+=[][])()(cos )()(cos ()()(1B A B A B A B A B A B A B A t w w V V t w w V V t V t V t V ϕϕϕϕ-+-++++∙=∙=）而由低通滤波器组成的积分器会过滤到高频段，也就是说积分器会取出差频段的分量来检测信号。
锁定放大器实验(宋1)
目前微弱信号检测仪器，极大部分都是在上述的这些方法指导下设计与研制的，大致可以分下列几类：①锁定放大器——相关检测（相干检测）它是目前最常用的仪器，适于对淹没在噪声背景中的正弦波或方波信号的检测。
它的使用范围之广已遍及各个领域，使用十分普遍。
②取样积分器，多点信号平均器——重复信号的时域平均这种仪器用于淹没在噪声背景中的信号波形的恢复。
测量信噪比的提高，遵守m法则。
取样积分器适于快速信号波形的恢复，多点信号平均器适于低频信号的恢复。
③单道光子计数器，光学多通道分析器（OMA）——离散信号的统计处理方法这两种仪器用于极微弱光的测量。
由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号的特征，使利用离散信息处理方法检测成为可能。
单道光子计数器是采用光电倍增管（PMT）作传感器，具有明显单光子峰，采用脉冲甄别计数技术，检测微弱光。
光学多通道分析器（OMA），采用光导摄象管等多路转换器件。
配上微处理器处理，能得到x、y、t三维图像。
具有时间分辨测量的能力，为动力学过程的研究创造了条件。
④计算机处理的方法随着计算机应用范围的扩大，原来在微弱信号检测中一些需要用硬件完成的检测系统，可以用软件来实现。
利用计算机进行曲线拟合，平滑，数字滤波，快速富里叶变换（FFT）及谱估计等方法理信号，提高信噪比，实现微弱信检测的要求。
光电实验的弱信号检测模块包括相关器和锁定放大器实验和多点积分器实验，分别介绍相关接收和同步积累这两种方法。
相关器和锁定放大器实验一、实验目的（1）了解和掌握相关器、锁定放大器工作原理；（2）测定相关器的性能和输出特性；（3）*观察相关器对倍频干扰的抑制作用，观察并测定相关器对倍频干扰的抑制性能；（4）*掌握双相锁定放大器工作原理，并测试双相锁定放大器的输出特性；二、锁定放大器和相关器的工作原理在非电量（如光强、速度、温度、压力等信号）的电测量过程中，需要用传感器把被测物理量转换成电信号即被测信号，送到测量放大器进行处理。
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A6 ：潘美方、于溪、石汶奇锁定放大器的设计（C题）摘要本系统是基于锁定放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声的影响下微弱正弦波的幅值。
本系统由纯电阻分压网络、加法器、交流放大器、带通滤波器、滞回比较器、相敏检波器、低通滤波器和直流放大电路组成。
本系统是以相敏检波器为核心，参考信号经过移相后，通过滞回比较器触发整形产生方波。
移相电路用于调整方波与正弦波相位一致性，开关乘法器CD4053在方波的驱动下对正弦波进行全波整流，最后通过低通滤波器和直流放大器检测出微弱信号，并通过MCU采样，在液晶屏上显示微弱信号的幅度。
经最终的测试，系统能较好的完成微弱信号的检测。
AbstractThis system is a device for weak signal detection based on Lock-in amplifier,which can be used to detect the weak amplitude sine wave under the influence of strong noise.The system consists of a purely resistive divider network,adders,AC amplifier,a bandpass filter,hysteresis comparator,phrase sensitive detector,a low-pass filter and a DC amplifier circuit.The phrase shifter is for adjusting the phase of the square wave and sine wave consistency,with switch multiplier CD4053 driving under the square wave full-wave rectified sine wave.Finally, after go through the low-pass filter and a DC amplifier,we detect the weak signal with sampling by MCU, and display the amplitude of the weak signal on the LCD screen.After the final test, the system can complete the detection of weak signals well.1 系统方案1.1 方案比较与选择1.1.1 触发整形电路方案一：采用单限比较器。
电路简单，但是当输入电压在阈值电压附近的任何微小变化都会引起输出电压的跃变，抗干扰能力差，因此不选用此方案。
方案二：采用滞回比较器。
它具有滞回特性，有惯性，电路有很高的抗干扰能力，且较稳定，因此选用方案二。
1.1.2 移相电路方案一：采用MSP430单片机进行移相。
利用捕获矩形波信号的上升沿，检测矩形波的周期，并把矩形波转变为方波，通过定时器延时输出高低电平的起始时间，按键选择延时大小，根据延时便可计算出相移的大小，此方案准确度高，但易受环境噪声的影响 ,且软件工作量大，因此不选用此方案。
方案二：采用低通滤波电路作为移相电路，利用RC电路，可以连续调节相位接近180度，设计两阶RC电路可使相位调整到360度，电路比较简单，性能较稳定，且减小了软件的工作量，因此选用方案二。
1.1.3 带通滤波器电路方案一：采用椭圆带通滤波器，理论上椭圆滤波器可以实现窄带滤波，但通带和阻带内有起伏，对器件参数的灵敏度较高，参数调节较困难。
因此不选用此方案。
方案二：利用多阶低通滤波器和高通滤波器串联，得到带通滤波器，通带比较平坦，且电路设计较简单。
但该方案需要使用运放较多，器件较多，整体参数不易控制。
故不选用此方案。
方案三：采用双放大器带通（DABP）滤波器，结构对于要求高Q和高频的设计十分有用。
其元件灵敏度低，原件扩散度低。
这种电路的一个有用特性是，其Q和谐振频率可在一定程度上独立调节。
而且电路结构典型模块化，便于使用。
因此选用方案三。
1.2 方案描述系统总体框图如图1所示。
系统由纯电阻分压网络、加法器、交流四级放大器、触发整形电路、移相电路、相敏检波器、低通滤波器和直流放大电路组成。
利用同相加法器在原始信号中加入噪声，经过四级放大电路获得信号x1(t)，x1(t)经过带通滤波器获得信号x(t)，参考信号R(t)经过移相电路和触发整形电路获得方波，方波信号驱动开关乘法器获得x(t)的直流电压，然后经过低通滤波器和直流放大电路，使单片机能够采样并在液晶屏上显示原始信号的幅值。
由于移相电路采用的是RC电路，只对单一频率移相，方波信号谐波较多，若触发整形电路在前，移相电路在后，则方波的移相会出现失真，故采用移相电路在前，触发整形电路在后。
噪声信号源100倍分压1000倍分压加法器（一级）第二级放大第三级放大第四级放大开关带通滤波器相频检波器移相电路2倍放大触发整形低通滤波器直流放大电路MCU 采样并显示N(t)S(t)X1(t)方波同相反相R(t)图1 系统框图2 理论分析与计算2.1 四级放大电路利用运放的基本的运放电路如附图1；放大倍数为（1+R f /R ）,通过合理的设置R f 和R 获得相应的放大倍数，在此电路中，继电器实现选档功能，当输入电压较低的时，第四级放大不接入，否则接入第四级放大。
2.2 相敏检波器电路相敏检波电路采用开关乘法器实现。
当两个信号同频同相时，相敏检波器相当于全波整流电路，此时检波输出最大。
图2为相敏检波器的基本框图。
图2 相敏检波器基本框图工作原理如下：设输入信号为)cos()(θω+=t V t x s 。
参考输入r(t)幅度为r V ± 的方波，周期为T ,角频率为2π/T,根据傅里叶分析的方法，可得r(t)的傅里叶级数表达式为∑∞=+---=11)12cos(12)1(4)t (r n n rt n n V ωπ(1) 相敏检波器的输出为 ∑∑∞=+∞=+++--==1n 1n 1n 1n ]2cos[1-2n (-1)2])22cos[(1-2n (-1)2)()()(θωθωt n V V t n V V t r t x t u rs rs p ππ(2)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，n >1的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩n =1的差频项为u p (t)=2V s V r cos θ/π (3) 当方波幅度V r =1时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当r (t )为 +1时，电子开关的输出连接到x (t );当r (t )为-1时，电子开关的输出连接到-x (t ),这时LPF 的输出为u o (t)=2V s cos θ/π (4)当经过开关乘法器时，角度之差为0，输出信号最大。
2.3 带通滤波器电路此电路为谐振时增益为2的双放大器带通（DABP ）滤波器电路，结构对于要求高Q 和高频的设计十分有用。
电路图如图3所示，谐振频率可以按R 2调节。
在此基础上，则可针对Q 调节R 1。
在一定程度上谐振频率和Q 可独立调节，实现高精度滤波。
图3 双放大器带通滤波器选取C ，R 4=R 5，R =C 0F 21π，R 1=QR ，R 2=R 3=R ，H(S)为放大系数，此滤波器的传递函数为 2321211)2()2(s C R R C R s s C R s V V H IN O ++==）（带通滤波器的中心频率F 0=1000HZ ，通频带f bw =1100-900=200HZ ，品质因数Q =BW F0=5。
3 电路与程序设计3.1 电路设计系统总电路图如附图4。
3.1.1 交流放大电路设计放大电路采用高精度、低噪声运放OPA4227，将微弱信号放大1000倍，其中三级电路均为同相放大电路，第一级放大2倍，第二级放大5倍，第三级放大10倍，第四级放大10倍，外围电路电路简单，输入阻抗高，共模抑制比较高，能有效抑制共模干扰，电路图为附图2。
3.1.2 触发整形电路设计由滞回比较器的特性知，运放的同相输入端相位与反向输入端 211R R R U U O MAX p +∙= ，当输入电压u I 增大或者减小到阈值电压时，输出电压会发生跃变。
电路图如图4所示。
图4 触发整形电路3.1.3 带通滤波器设计利用双放大器带通滤波，输入信号频率为900Hz~1100Hz，所需的品质因数Q 较高，带通滤波器的通频带比较窄，通过上边的理论分析可以得到f=1kHz f bw=200Hz (7)令C=10uF，R4=R5=1K,则由知R2=R3=R=160， R1=5R=800。
电路图如图3所示。
3.1.4 移相电路设计通过简单的RC低通电路，一阶电路的移相范围为0~180度，所以利用两阶RC可以得到0~360度的移相范围，通过截止频率设置好电阻电容的值。
电路图为附图3。
3.1.6 相敏检波器设计信号经过带通滤波器的输出信号经过OPA4227获得同相信号和反向信号，输入到开关乘法器CD4053，用比较器得到的方波信号作为控制信号驱动CD4053，输出得到信号的直流电压，具体电路图为图5。
图5 相敏检波器电路3.1.7 低通滤波器设计经过相敏检波器获得的信号经过由OPA4227构成低通滤波器，选择电容为10uf，电阻为100K，算出截止频率为1Hz。
电路图为图6。
图6 低通滤波器电路3.2 程序设计程序实现定时器间隔一定时间AD采样，对采样结果用加权平均法处理，当前采样值乘以权值0.8与上一次输出结果乘以权值0.2求和作为当前输出结果，每采样50次在OLED上更新数据显示。
当前输出结果和阈值进行比较，控制MCU 的IO口控制继电器实现换挡，若是较小信号则经过第四级放大，否则，为第三级放大输出。
程序流程图如图7所示。
图7 程序流程图4 测试方案与测试结果4.1 测试仪器及测试方案4.1.1测试仪器（见表1）4.1.2测试方案（1）从信号源输出正弦波经过分压电路得到10uVrms的信号，观察信号经过交流放大电路是否放大1000倍，波形是否失真；逐次将信号幅度增大到1000uVrms，继续上述步骤。
（2）从信号源接入正弦信号，观察带通滤波器的通频带，看信号有无明显失真。
（3）将带通滤波器输出的信号接入相敏检波器，观察输出信号是否为直流电压。
（4）观测经过单片机采样处理后的输出的数值与s(t)幅度是否一致。
（5）将噪声加入原始信号，继续（1）、（2）、（3）步骤。
4.2 测试数据（1）测试被测信号的有效值，条件：f=1KHz ，输入s(t)=10uVrms~1000uVrms；无噪声，如表2所示。