课程设计--锁定放大器的设计

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1、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MSP430目

2、录1.设计任务11.1任务11.2基本要求12.方案论证22.1交流放大器22.2带通滤波器22.3相敏检波器22.4移相器22.5软件方案选取32.6系统整体方案32.7系统总体框图33.理论分析计算33.1硬件电路的设计原理33.1.1信号通道电路的设计33.1.2参考通道触发整形电路的设计43.1.3相敏检波器的设计53.1.4低通滤波器的设计63.2单片机控制与系统任务的设计与选取64.测试结果与误差分析74.1测试仪器：74.2测试分析74.2.1衰减器测试74.2.2移相器测试74.2.3带宽测试74.2.4微弱信号的测量74.2.5结论与误差分析85.结论、心得体会86.参考文献

3、81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）。锁定放大器基本组成框图见图一。图一:锁定放大器基本组成结构框图交流放大器相敏检波器直流放大器低通滤波器带通滤波器触发整形移相器方波驱动参考输出r(t)信号x(t)信号通道参考通道S(t)显示R(t)12344.11．2基本要求（1）外接信号源提供频率为1kHz的正弦波信号，幅度自定，输入至参考信号R(t)端。R(t)通过自制电阻分压网络降压接至被测信号S(t)端，S(t)幅度有效值为10μV~1mV。（5分）（2）参考通道的输出r(t)为方波信号，r(t)的相位相对参考信号R(t)可连续调节或步进移相180度，步进间距小

4、于10度。（20分）（3）信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。误差小于20%。（10分）（4）在锁定放大器输出端，设计一个能测量显示被测信号S(t)幅度有效值的电路。测量显示值与S(t)有效值的误差小于10%。（15分）（5）在锁定放大器信号S(t)输入端增加一个运放构成的加法器电路，实现S(t)与干扰信号n(t)的1:1叠加，如图2所示。（5分）（6）用另一信号源产生一个频率为1050~2100Hz的正弦波信号，作为n(t)叠加在锁定放大器的输入端，信号幅度等于S(t)。n(t)亦可由与获得S(t)同样结构的电阻分压网络得到。锁定放大器应尽量降低n(t)对S(t)信号有效值测

5、量的影响，测量误差小于10%。（20分）（7）增加n(t)幅度，使之等于10S(t)，锁定放大器对S(t)信号有效值的测量误差小于10%。（20分）-8-2方案论证2.1交流放大器方案一：采用单级低噪声放大，能够很好的抑制噪声。但是考虑到前级衰减网络耳朵衰减倍数，一级放大倍数会很大，无法达到低噪的效果。方案二：采用两级放大，前级用仪表放大器，后级用低噪放大器。仪表放大具有很高的共模抑制比，在很高的放大倍数下依然能够有很好的噪声抑制性能。综上，为了达到很高的放大倍数且有足够好的噪声抑制性能，选择方案二。2.2带通滤波器方案一：采用四阶巴特沃兹多路反馈型带通滤波器。该滤波器滤除杂波，但是滤波器设计

6、复杂，且对电电容取值极为敏感，调试略微复杂，且面积较大。方案二：采用集成滤波器。该滤波器设计简单，只需调整很少的参数，就能获得很好的滤波效果，电路设计简单，且占用很少的面积。综上，为了减少面积和降低设计复杂程度，采用集成滤波器做前置滤波，以很好的抑制噪声。2.3相敏检波器方案一:采用模拟乘法器和低通滤波器组成的相敏检波器，能够很好的实现相干检测，但是考虑到信号的动态范围，而模拟乘法器动态范围太小。方案二：采用开关模拟乘法器和低通滤波器能够很好的解决输入信号的动态范围并且实现相干检测。综上，考虑到为了实现较大的动态范围，选择开关乘法器。2.4移相器方案一：数字移相。数字移相能够更方便的控制移相大

7、小。但是不增加工作量，相位步进不好控制。方案二：有缘RC移相器。RC移相器不仅解决幅度改变带来的相位变化，而且连续可调。电路设计简单。综上，考虑到电路设计复杂度和测量准确度，选择方案二。2.5软件方案选取方案一：选取STM32作为微处理器，处理器内部具有ADC，优点为转化速率快，缺点是STM32内部AD为12位或8位（可软件选择），且参考电压为最小系统的稳压芯片提供，所采的电压值并不精准。故需采用