選題：C題 鎖定放大器的設計參賽隊編號： NJ290 學生姓名： 田原 惠琦 李一博2014 江蘇省大學生電子設計競賽 TI杯作品設計報告摘要本系統(tǒng)是基于相敏檢波(PSD)技術(shù)的鎖定放大器(LIA)，用于實現(xiàn)強干擾背景下uV級微弱信號的有效檢測。本文給出一種基于TI器件的解決方案。系統(tǒng)由信號通道、參考通道、相敏檢波器三部分組成。其中信號通道由加法器、分壓網(wǎng)絡組成，實現(xiàn)信號與干擾的疊加并將大信號衰減為微弱信號，參考通道包括移相電路、觸發(fā)整形電路，生成用于驅(qū)動模擬開關(guān)實現(xiàn)PSD的方波信號。相敏檢波器為核心，檢波后經(jīng)低通濾波輸出直流信號供AD采樣處理。經(jīng)單片機簡單計算，在液晶屏上顯示微弱信號幅值。經(jīng)測試，本系統(tǒng)較好完成了微弱信號的檢測。關(guān)鍵詞：微弱信號檢測鎖定放大相敏檢波AbstractThe system is a lock-in amplifier (LIA) designed with phase sensitive detection (PSD) technique . The amplitude of low-level signal (uV ) added with high noise can be detected correctly. The article describes a solution using TI devices.The device consists of three modules . The signal channel achieves the superposition of noise and signal . A voltage divider built with pure resistor network is also included in signal channel to produce the low-level signal. The reference channel moves the phase of reference input and generate a square wave sequence to drive the analog switch CD4053 which is responsible for the phase-sensitive detection. A low-pass filter is used to extract the DC component of PSD signal which is linear related to the amplitude of the detected low-level signal. The system works well in test.KEY WORDS : Low-level signal , Lock-In amplifier , Phase-sensitive detection目錄INDEX一、方案選擇與論證11.1方案選擇與論證11.2總體設計思想1二、理論分析與計算32.1移相電路32.2帶通濾波器32.3相敏檢波5三、電路與程序設計73.1加法器模塊設計73.2純電阻分壓電路設計7 正弦波信號源分壓7干擾信號分壓電路83.3信號通道與參考通道設計9信號通道9參考通道93.4開關(guān)型相敏檢波器設計103.5采樣與顯示電路設計113.6程序流程圖12四、測量結(jié)果134.1無干擾情況134.2一倍干擾情況134.3十倍干擾情況13五、結(jié)論14六、參考文獻15七、附錄16A.電源模塊原理圖 16B.鎖定放大器原理圖16一、方案選擇與論證1.1方案選擇與論證方案一：由晶體二極管和變壓器組成的相敏檢波器，由于變壓器的對稱性差及二極管的非線性,限制了它的使用范圍。方案二：采用集成模擬乘法器組成的相敏檢波器,雖然采用了集成模擬乘法器,在性能較方案一能有較大提高,但是由于調(diào)試復雜、價格高昂。方案三：采用模擬開關(guān)組成的相敏檢波器,具有調(diào)試方便,動態(tài)范圍大和價格低廉等優(yōu)點。綜上所示，選擇方案三作為系統(tǒng)基本方案。1.2總體設計思想?yún)⒖夹盘朢(t)輸入后分兩路，一路送信號通道，一路送參考通道。R(t)在信號通道中經(jīng)過3600倍衰減獲得待測微弱信號，送加法器與干擾疊加，是否引入干擾、干擾倍數(shù)可通過切換繼電器控制，且干擾也經(jīng)過同結(jié)構(gòu)純電阻網(wǎng)絡分壓，疊加了干擾的微弱信號經(jīng)兩階帶通濾波器濾波后送相敏檢波器處理。R(t)在參考通道中先經(jīng)移相電路移相，使得與信號通道末的微弱信號相位一致，經(jīng)觸發(fā)整形生成驅(qū)動方波送相敏檢波器處理。相敏檢波器利用模擬開關(guān)實現(xiàn)檢波，輸出信號經(jīng)兩階低通濾波提取直流分量。AD進行采樣轉(zhuǎn)換，單片機讀取AD值，進行簡單計算處理現(xiàn)實對應微弱信號幅值。總體設計框圖如圖1.移相電路 純電阻分壓觸發(fā)整形PSD相敏檢波器干擾選擇AD采樣顯示加法器干擾源N(t)小信號S(t)參考輸入R(t)大信號R(t)信號通道參考通道純電阻分壓圖1 總體設計框圖二、理論分析與計算2.1移相電路如圖2所示，該移相電路核心部分由電阻電容構(gòu)成，差分輸出，可計算出其傳遞函數(shù)為：Hj=US21-jRC1+jRC觀察幅頻特性，對其取模，可知：Hj=1 ,argHj=-2其中，=arctan(RC)可見，圖示移相電路具有結(jié)構(gòu)簡單、無額外增益、穩(wěn)定性好的特點，且可以實現(xiàn)0到180°相移。圖2 移相電路核心2.2帶通濾波器由題意，本題需要設計中心頻率f0=1000Hz，3dB頻帶范圍為900Hz1100Hz的帶通濾波器。利用TI Filterpro軟件輔助設計，取品質(zhì)因數(shù)Q=5，反饋方式為多重反饋，可得通頻帶BW=200Hz,。設計電路如圖3，幅頻特性如圖4。圖3 帶通濾波器圖4 BPF幅頻特性曲線2.3 相敏檢波相敏檢波器分為模擬乘法器和開關(guān)式乘法器，此處采用開關(guān)式乘法器。相敏檢波器（PSD）的本質(zhì)其實就是對兩個信號之間的相位進行檢波，當兩個信號同頻同相時，這時相敏檢波器相當于全波整流，檢波的輸出最大，亦可在相位相反時進行檢波，電路略有不同，本設計采用反相。圖5為相敏檢波器的基本框圖。圖5PSD基本框圖PSD工作過程如下：設輸入信號為。參考輸入時幅度為的方波，其周期為，角頻率為，根據(jù)傅里葉分析的方法，這種周期性函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)可得的傅里葉級數(shù)表示式為上式右邊第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過LPF的濾波作用，的差頻項及所有的和頻項均被濾除，只剩的差頻項為當方波幅度時，可以利用電子開關(guān)實現(xiàn)方波信號的相乘過程，即當為時，電子開關(guān)的輸出連接到；當為時，電子開關(guān)的輸出連接到，這時LPF的輸出為當經(jīng)過開關(guān)乘法器，角度之差為0時，輸出信號最大。三、電路與程序設計3.1加法器模塊電路設計INA128是一款精密的低功耗儀表放大器，它具有寬帶寬，極低的失調(diào)電壓（50V），漂移（0.5V/）和高共模抑制（增益100時120dB）。當其1,8管腳懸空時，它的增益是1，可得輸入信號（Vi）等于標準信號(St)和干擾信號(SW2)的疊加，即Vi=SW2-St。由于干擾信號是正弦波交流信號，故相當于給原信號加上了一個干擾信號。電路如圖6所示。圖6 加法器模塊3.2純電阻分壓電路設計正弦波信號源分壓正弦波信號源（Rt）經(jīng)隔直電容后進入衰減比為3600：1的網(wǎng)絡得到St，所以選取分壓電阻分別為3.6k歐和1歐。電路如圖7.圖7 正弦波信號源分壓干擾信號（Nt）分壓電路為實現(xiàn)干擾信號為零，信號SW2：信號St=1：1，信號SW2：信號St=10:1三種模式的切換，使用兩個繼電器實現(xiàn)。電路如圖8所示。當SW2的3腳接2腳時，無干擾信號當SW2的5腳接6腳，SW1的5腳接2腳，Nt:SW2=3600:1，此時SW2：St=1：1當SW2的5腳接6腳，SW1的5腳接6腳，Nt:SW2=360:1，此時SW2：St=10：1。圖8 干擾信號分壓電路3.3信號通道與參考通道設計3.3.1信號通道疊加了干擾的微弱信號利用交流放大器使用INA128U精密儀表放大器，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊G=1+50k/Rg，取Rg=68計算的得G=736。電路為圖9。圖9 信號前級放大電路3.3.2參考通道參考通道包括移相器和比較器。移相器核心部分由電阻電容組成，移相后的信號接跟隨器，以差分形式輸出，使得幅值與輸入一致。電路如圖10所示。圖10 移相器電路移相后的信號經(jīng)一級跟隨送LM311觸發(fā)整形，生成用于驅(qū)動模擬開關(guān)的方波信號。電路如圖11圖11 觸發(fā)整形電路3.4開關(guān)型相敏檢測器信號通道末，帶通濾波器的輸出Vo同時經(jīng)過輸入到模擬開關(guān)CD4053；信號通道末，經(jīng)過移相電路移相、觸發(fā)整形后的方波信號(與信號反相)Sq用于驅(qū)動模擬開關(guān)工作，模擬開關(guān)切換實現(xiàn)+1/-1的乘法功能，完成對信號的PSD調(diào)制。其輸出信號經(jīng)兩階低通濾波器實現(xiàn)輸出與待測信號值有線性關(guān)系的直流信號，經(jīng)參數(shù)匹配后可有效濾除交流信號。輸出最后再經(jīng)過一級直流放大輸出給AD供采樣。具體電路為圖12。圖12 相敏檢波器電路3.5采樣與顯示電路設計AD采樣電路如圖所示，AD7991通過IIC總線與單片機相連。圖13.圖13 AD7991電路控制部分如圖所示，采用TI公司MSP-3XP430F5529LP Launchpad開發(fā)板作為控制平臺，連接外圍I/O器件，由AD讀取采樣值，經(jīng)簡單計算輸出檢測結(jié)果。電路框圖如圖14所示。AD采樣輸入數(shù)字電位器控制TFT液晶控制信號觸摸屏信號輸入XPT2046 電阻式觸摸屏AD轉(zhuǎn)換電路ILI9325 320*240液晶驅(qū)動電路液晶顯示器觸摸屏 MSP-EXP430F5529LPLaunchpad圖14 控制電路框圖主函數(shù) main()中斷服務程序 ISRs中斷1標志置位清中斷標志置無操作標志中斷2標志置位清中斷標志清無操作標志等待取樣完成中斷3標志置位根據(jù)全局功能變量顯示觸屏對應菜單(長時間無操作)初始化操作：1、 時鐘配置2、 初始化IO口3、 各模塊初始化4、 各變量初始化5、 中斷配置6、 開機動畫進入低功耗模式程序開始中斷標志1置位長時無操作ISR1 秒鐘源中斷標志2置位ISR2 測量模式清測量模式標志根據(jù)取樣結(jié)果擬合并計算實際測量結(jié)果，顯示結(jié)果 進測量模式？測量模式標志置位中斷標志3置位ISR3 觸摸屏觸發(fā)獲取觸摸坐標清中斷標志清無操作標志3.6程序流程圖：四、測量結(jié)果實際測量結(jié)果如表所示。4.1 無干擾情況理論值(mV)1 0.8 0.5 0.2 0.1 0.08 0.05 0.02 0.01實測值(mV)1.023540.812110.523720.188590.091040.081790.0487640.020030.00970表1 無干擾測量結(jié)果4.2 一倍干擾情況理論值(mV)1 0.8 0.5 0.2 0.1 0.08 0.05 0.02 0.01實測值(mV)1.02241 0.80210 0.49365 0.18596 0.10104 0.07973 0.053664 0.02013 0.01528表2一倍干擾測量結(jié)果4.3 十倍干擾情況理論值(mV)1 0.8 0.5 0.2 0.1 0.08 0.05 0.02 0.01實測值(mV)0.98748 0.79217 0.51385 0.19596 0.10231 0.07276 0.05360 0.01927 0.00922表3三倍干擾測量結(jié)果五、結(jié)論本設計為鎖定放大器，較好地實現(xiàn)了強噪聲背景下微弱信號幅度的檢測。設計過程中，主要針對微弱信號檢測方法中的相敏檢波技術(shù)進行了研究。該作品主要基于德州儀器公司模擬器件實現(xiàn)，對噪聲源放大后與正弦干擾信號的疊加、衰減、濾波、檢波，最后AD采樣處理并顯示，構(gòu)成一套完整的鎖定放大系統(tǒng)。為期四天的競賽，我們每個人都受益匪淺。準備過程中，我們學會了繪制PCB、用化學方法自制PCB板，也熟悉了MSP430F5529的編程，熟悉了TI公司各類模擬器件的使用我們學到了很多的知識，也感受到了理論與實際的區(qū)別。我們懂得了理論與實踐實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。我們在競賽的過程中遇到了很多問題，我們一度沮喪萬分，但是我們堅持了下來，最終完成了作品的制作。在這過程中也對自己有了重新的認識，了解到了自己的不足之處，也意識到了團隊合作的重要性。四天的比賽對我們來說是非常難得的人生體驗：熬夜調(diào)硬件，通宵寫程序，白天吃泡面，晚上睡實驗室，解決一個問題，遇到另一個問題這段經(jīng)歷，必將成為我們今后學習生活中一筆寶貴的財富。最后感謝學校和TI公司提供這次參賽機會，讓我們在實踐中汲取知識、不斷成長。六、參考文獻1 高晉占. 微弱信號檢測M. 清華大學出版社, 2004.2 Carter B, Mancini R. 運算放大器權(quán)威指南J. 2010.附錄A、 電源板原理圖：圖16電源板原理圖B、鎖定放大器電路原理圖：圖17鎖定放大器原理圖