锁定放大器的设计

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1、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

2、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

3、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。方案二：相敏检测器与低通滤波

4、器如果用数字检波模块来采集，会增加精准度，但是会有编程上的困难。方案比较：综上，我们选择方案二。虽然会有难度的增加，但是实验的精度却得以保证。我们设计的锁定放大器方案如下图单片机n(t)图1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整形电路多级移相器方波调理驱动参考输出r(t)信号x(t)信号通道参考通道S(t)显示R(t)11一、设计原理及理论分析2、锁相放大器的基本原理相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数和的相关函数定义为：它是度量一个随机过程在时间和两时刻线性相关的统计参数，如果和完全没有关系，则相关函数将是一个常数。下面

5、我们设有两个信号、为：其中、为噪声，为待测信号，为参考信号。则相关函数为：展开得：11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，见下图：乘法器积分器参考信号为方波时：由于方波可以傅里叶展开成余弦函数：，则：锁定放大器的原理方框图，原理详解如下：硬件设计1、信号通道信号通道由加法器、衰减网络、仪表放大器（一级）、多阶有源滤波器（二级）、调理电路组成。将用另一信号源产生一个频率为1050至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

6、等于S(t)。n(t)亦可由与获得11S(t)同样结构的电阻分压网络得到。对输入的幅度调制正弦信号进行交流放大，滤波处理。由低噪声前置放大器，有源带通滤波器，主放大器等部分组成。其作用是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，扩大仪器的动态范围。此外，前置放大器的等效噪声阻抗要与信号源的输出阻抗相匹配，共模抑制比更高，已达到最佳的噪声性能。⑴加法器加法器由运放组成，有两个输入端，一个是信号输入端，另一个是噪声或干扰信号输入，把加法器和噪声混合起来，便于研究相敏检测。参考通道用于产生相干检测所需要的和被测信号同步的参考信号。参考通道首先把和被

7、测信号同频率的任何一种波形的输入信号转换为占空比为1:1的方波信号（为了抑制偶次谐波），其频率和输入移相器的参考信号的频率相同。加法器仿真图如下⑵衰减网络衰减网络由两个电阻（分别为100Ω和1MΩ）组成,由两个阻值来改变衰减系数。11⑴交流放大器该放大电路网络由TI公司生产的高精度仪表放大器INA114来作为第一级发大（放大100倍）和二级放大应用TI通用双运放OPA2237来实现（放大100倍）。仪表放大器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--1