强噪声背景下微弱信号检测装置的一种可行性方案的研究

强噪声背景下微弱信号检测装置的一种可行性方案的研究摘要：在测量微弱信号被掩盖在强噪声中的信号时，锁相放大器（lock-in amplifier，lia）表现出了良好的性能。但是由于其本生存在中心频率不稳定、带宽不能太窄及对信号缺乏跟踪能力等缺点，造成对测量微弱信号的限制。对锁相放大器进行一些分析的基础上，设计出一个双相位锁相放大器（dual phrase lock-in amplifier），并用pspice/orcad进行了实验性的论证。结果表明该放大器可以实现微伏（v）级别的信号识别，噪声信号的均方根值约为1mv，幅值识别准确率在0.5%以内。

关键词：pspice/orcad 双相位锁相放大器微弱信号信号检测中图分类号：tn722 文献标识码：a 文章编号：1007-3973（2013）004-100-02

1 引言

信息时代需要获取信息，许多科学研究和工程技术的信息需要用检测的方法来获取。当被测信号非常微弱时，易被噪声淹没，对它们的检测往往变得十分困难。随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，微弱信号检测是发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要意义。

微弱信号的检测已经有很多成熟的方法，在时域方面如相关检测、小波分析、取样分析等；在频域方面如频谱分析等。这些方法

在某些方面具有一定的局限性，主要表现在门限较低（-10db左右）、测量精度不高等问题。本文针对以上问题，设计出了一个双相位锁相放大器，方法实用，测量方便。

2 锁相放大原理

2.1 单相位锁相放大器原理

锁相放大器是把被测量信号通过频率变换的方式转变为直流，包括一个乘法器和低通滤波器（lpf）。一般来说，需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0?埃偈淙氲絇sd。上述的锁相放大器，称为单相位锁相放大器，为了能够正常测量振幅和相位，需要有能够调节相位的移相电路。对于参照信号和被测量之间有相位差的电路，将不能准确测量出信号的幅值。

2.2 双相位锁相放大器原理

如果将参照信号相移90?埃褂昧礁鯬sd，这时就可以不需要移相电路将参照信号和被测信号的相位差消除。通过理论可以证明此时从lpf输出电压的幅值和两路信号的相位差没有关系。

移相之前的参考信号：

移相之后的参考信号：

第一路滤波之前的输出信号：

上式表明，psd输出分成两个部分，前者为被测量信号与参考信号的差频分量，后者为被测量信号与参考信号的和频分量。当被测量信号和参考信号的频率相等时，即f1=f2，差频分量为零，这时

差频分量变成psd直流分量，而和频分量变成变频。即由原来以f1为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心的两个频谱，再经过低通滤波器去除了和频分量。

在经过lpf的第一路输出信号为：u10 = rcos ，其中r = ， = 1- 2；

在经过lpf的第二路输出信号为：u20 = rsin ，其中r = ， = 1- 2。

再对两路输出信号进行三角函数运算，便可以得到与相位差无关的直流信号：

r = 。

将得到的r经过a/d转换，便可以直接读取数据。

3 双相位锁相放大器的设计

被噪声掩盖的信号可以经过一个八阶带通滤波器（滤波器的中心频率即为被测信号的频率），在经过滤波器后再经过放大器可以近似恢复被测量信号的原貌。

下面就是最为关键的一步，即把得到的正交信号分别与滤波放大后的信号相乘，再经过低通滤波器，可以得到两路直流信号，其幅值分别为rcos 和rsin 。将两路信号做平方和运算再开根号，即可得到与输入信号有效值成正比的直流信号。波形如图1所示。

在经过大约70ms的时间，幅度稳定在一个直流电平上，此时读出该幅值读数即可确定被测量信号的幅值。被噪声掩盖的小信号成

功被还原出来。

4 测试结果分析

对相同的噪声中加入不同幅值的1khz正弦波信号，经多组测量后的结果表示在输入正弦波在10mv以内，相对误差可以控制在1%以内。可以看出，该电路是一种实时性好、精确度高、稳定性好的测量电路。

5 结束语

锁相放大电路在微弱信号检测中有着机器重要的地位，它将被测量的信号从噪声中提取出来，变为直流信号。此思路不论是在工业设计或是通讯系统中，都有应用价值。

参考文献：

[1]高晋占.微弱信号检测[m].北京：清华大学出版社，2004：1-2.

[2]stanford research systems.about lock-in

amplifiers.http：

///downloads/pdfs/applicationnotes/aboutl ias.pdf.

[3]施风容.锁相放大器的设计[j].湖南工业职业技术学院学报，2007（3）：5-7.