TI杯江苏省大学生电子电路设计竞赛C题一等奖锁定放大器设计方案报告.docx

选题： C题 锁定放大器设计
参赛队编号： NJ290
学生姓名： 田原 惠琦 李一博

江苏省大学生电子设计竞赛 TI杯
作品设计汇报

摘要

本系统是基于相敏检波(PSD)技术锁定放大器(LIA)，用于实现强干扰背景下uV级微弱信号有效检测。本文给出一个基于TI器件处理方案。系统由信号通道、参考通道、相敏检波器三部分组成。其中信号通道由加法器、分压网络组成，实现信号和干扰叠加并将大信号衰减为微弱信号，参考通道包含移相电路、触发整形电路，生成用于驱动模拟开关实现PSD方波信号。相敏检波器为关键，检波后经低通滤波输出直流信号供AD采样处理。经单片机简单计算，在液晶屏上显示微弱信号幅值。经测试，本系统很好完成了微弱信号检测。

关键词：微弱信号检测 锁定放大 相敏检波

Abstract

The 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
目录INDEX

一、方案选择与论证1
1.1方案选择与论证1
1.2总体设计思想1
二、理论分析与计算3
2.1移相电路3
2.2带通滤波器3
2.3相敏检波5
三、电路与程序设计7
3.1加法器模块设计7
3.2纯电阻分压电路设计7
3.2.1正弦波信号源分压7
3.2.2干扰信号分压电路8
3.3信号通道与参考通道设计9
3.3.1信号通道9
3.3.2参考通道9
3.4开关型相敏检波器设计10
3.5采样与显示电路设计11
3.6程序流程图12
四、测量结果13
4.1无干扰情况13
4.2一倍干扰情况13
4.3十倍干扰情况13
五、结论14
六、参考文献15
七、附录16
A.电源模块原理图 16
B.锁定放大器原理图16

一、方案选择和论证

1.1方案选择和论证
方案一：由晶体二极管和变压器组成相敏检波器，因为变压器对称性差及二极管非线性,限制了它使用范围。
方案二： 采取集成模拟乘法器组成相敏检波器,即使采取了集成模拟乘法器,在性能较方案一能有较大提升,不过因为调试复杂、价格高昂。
方案三：采取模拟开关组成相敏检波器,含有调试方便,动态范围大和价格低廉等优点。
综上所表示，选择方案三作为系统基础方案。

1.2总体设计思想
参考信号R(t)输入后分两路，一路送信号通道，一路送参考通道。R(t)在信号通道中经过3600倍衰减取得待测微弱信号，送加法器和干扰叠加，是否引入干扰、干扰倍数可经过切换继电器控制，且干扰也经过同结构纯电阻网络分压，叠加了干扰微弱信号经两阶带通滤波器滤波后送相敏检波器处理。R(t)在参考通道中先经移相电路移相，使得和信号通道末微弱信号相位一致，经触发整形生成驱动方波送相敏检波器处理。相敏检波器利用模拟开关实现检波，输出信号经两阶低通滤波提取直流分量。AD进行采样转换，单片机读取AD值，进行简单计算处理现实对应微弱信号幅值。总体设计框图图1.

移相电路

纯电阻分压
触发整形
PSD
相敏检波器
干扰选择
AD采样显示

Σ
加法器
干扰源
N(t)
小信号S(t)
参考输入
R(t)
大信号
R(t)

信号通道
参考通道
纯电阻分压

图1 总体设计框图

二、理论分析和计算

2.1移相电路
图2所表示，该移相电路关键部分由电阻电容组成，差分输出，可计算出其传输函数为：
Hjω=US21-jωRC1+jωRC
观察幅频特征，对其取模，可知：
Hjω=1 ,argHjω=-2φ
其中，
φ=arctan⁡(ωRC)
可见，图示移相电路含有结构简单、无额外增益、稳定性好特点，且能够实现0到180°相移。

图2 移相电路关键

2.2带通滤波器
由题意，本题需要设计中心频率f0=1000Hz，3dB频带范围为900Hz~1100Hz带通滤波器。利用TI Filterpro软件辅助设计，取品质因数Q=5，反馈方法为多重反馈，可得通频带BW=200Hz,。设计电路图3，幅频特征图4。

图3 带通滤波器

图4 BPF幅频特征曲线

2.3 相敏检波
相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器，此处采取开关式乘法器。相敏检波器（PSD）本质其实就是对两个信号之间相位进行检波，当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波输出最大，亦可在相位相反时进行检波，电路略有不一样，本设计采取反相。图5为相敏检波器基础框图。

图5 PSD基础框图
PSD工作过程以下：设输入信号为。参考输入时幅度为方波，其周期为，角频率为，依据傅里叶分析方法，这种周期性函数能够展开为傅里叶级数

可得傅里叶级数表示式为

上式右边第一项为差频项，第二项为和频项。经过LPF滤波作用，差频项及全部和频项均被滤除，只剩差频项为

当方波幅度时，能够利用电子开关实现方波信号相乘过程，即当为时，电子开关输出连接到；当为时，电子开关输出连接到，这时LPF输出为

当经过开关乘法器，角度之差为0时，输出信号最大。

三、电路和程序设计

3.1加法器模块电路设计
INA128是一款精密低功耗仪表放大器，它含有宽带宽，极低失调电压（50μV），漂移（0.5μV/℃）和高共模抑制（增益≥100时120dB）。当其1,8管脚悬空时，它增益是1，可得输入信号（Vi）等于标准信号(St)和干扰信号(SW2)叠加，即Vi=SW2-St。因为干扰信号是正弦波交流信号，故相当于给原信号加上了一个干扰信号。电路图6所表示。

图6 加法器模块

3.2纯电阻分压电路设计
3.2.1正弦波信号源分压
正弦波信号源（Rt）经隔直电容后进入衰减比为3600：1网络得到St，所以选择分压电阻分别为3.6k欧和1欧。电路图7.

图7 正弦波信号源分压

3.2.2干扰信号（Nt）分压电路
为实现干扰信号为零，信号SW2：信号St=1：1，信号SW2：信号St=10:1三种模式切换，使用两个继电器实现。电路图8所表示。
当SW23脚接2脚时，无干扰信号
当SW25脚接6脚，SW15脚接2脚，Nt:SW2=3600:1，此时SW2：St=1：1
当SW25脚接6脚，SW15脚接6脚，Nt:SW2=360:1，此时SW2：St=10：1。

图8 干扰信号分压电路

3.3信号通道和参考通道设计
3.3.1信号通道
叠加了干扰微弱信号利用交流放大器使用INA128U精密仪表放大器，依据数据手册G=1+50kΩ/Rg，取Rg=68Ω计算得G=736。电路为图9。

图9 信号前级放大电路

3.3.2参考通道
参考通道包含移相器和比较器。
移相器关键部分由电阻电容组成，移相后信号接跟随器，以差分形式输出，使得幅值和输入一致。电路图10所表示。

图10 移相器电路

移相后信号经一级跟随送LM311触发整形，生成用于驱动模拟开关方波信号。电路图11

图11 触发整形电路

3.4开关型相敏检测器
信号通道末，带通滤波器输出Vo同时经过输入到模拟开关CD4053；信号通道末，经过移相电路移相、触发整形后方波信号(和信号反相)Sq用于驱动模拟开关工作，模拟开关切换实现+1/-1乘法功效，完成对信号PSD调制。
其输出信号经两阶低通滤波器实现输出和待测信号值有线性关系直流信号，经参数匹配后可有效滤除交流信号。
输出最终再经过一级直流放大输出给AD供采样。具体电路为图12。

图12 相敏检波器电路

3.5采样和显示电路设计
AD采样电路图所表示，AD7991经过IIC总线和单片机相连。图13.

图13 AD7991电路

控制部分图所表示，采取TI企业MSP-3XP430F5529LP Launchpad开发板作为控制平台，连接外围I/O器件，由AD读取采样值，经简单计算输出检测结果。电路框图图14所表示。
AD采样输入
数字电位器控制
TFT液晶控制信号
触摸屏信号输入
XPT2046
电阻式触摸屏
AD转换电路
ILI9325 320*240
液晶驱动电路
液晶显示器
触摸屏

MSP-EXP430F5529LP
Launchpad

图14 控制电路框图

主函数 main()
中止服务程序 ISRs
中止1标志置位
清中止标志
置无操作标志
中止2标志置位
清中止标志
清无操作标志
等候
取样完成

中止3标志置位
依据全局功效变量显示触屏对应菜单
(长时间无操作)
初始化操作：
1、 时钟配置
2、 初始化IO口
3、 各模块初始化
4、 各变量初始化
5、 中止配置
6、 开机动画
进入低功耗模式
程序开始
中止标志1置位
长时无操作
ISR1 秒钟源
中止标志2置位
ISR2 测量模式
清测量模式标志
依据取样结果拟合并计算实际测量结果，显示结果

进测量模式？
测量模式标志置位
中止标志3置位
ISR3 触摸屏触发
获取触摸坐标
清中止标志
清无操作标志
3.6程序步骤图：
四、测量结果
实际测量结果如表所表示。

4.1 无干扰情况
理论值(mV)
1
0.8
0.5
0.2
0.1
0.08
0.05
0.02
0.01
实测值(mV)
1.02354
0.81211
0.52372
0.18859
0.09104
0.08179
0.048764
0.0
0.00970
表1 无干扰测量结果

4.2 一倍干扰情况
理论值(mV)
1
0.8
0.5
0.2
0.1
0.08
0.05
0.02
0.01
实测值(mV)
1.02241
0.80210
0.49365
0.18596
0.10104
0.07973
0.053664
0.0
0.01528
表2一倍干扰测量结果

4.3 十倍干扰情况
理论值(mV)
1
0.8
0.5
0.2
0.1
0.08
0.05
0.02
0.01
实测值(mV)
0.98748
0.79217
0.51385
0.19596
0.10231
0.07276
0.05360
0.01927
0.00922
表3 三倍干扰测量结果

五、结论

本设计为锁定放大器，很好地实现了强噪声背景下微弱信号幅度检测。设计过程中，关键针对微弱信号检测方法中相敏检波技术进行了研究。该作品关键基于德州仪器企业模拟器件实现，对噪声源放大后和正弦干扰信号叠加、衰减、滤波、检波，最终AD采样处理并显示，组成一套完整锁定放大系统。
为期四天竞赛，我们每个人全部受益匪浅。准备过程中，我们学会了绘制PCB、用化学方法自制PCB板，也熟悉了MSP430F5529编程，熟悉了TI企业各类模拟器件使用……我们学到了很多知识，也感受到了理论和实际区分。我们知道了理论和实践实际相结合是很关键，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识和实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提升自己实际动手能力和独立思索能力。
我们在竞胜过程中碰到了很多问题，我们一度沮丧万分，不过我们坚持了下来，最终完成了作品制作。在这过程中也对自己有了重新认识，了解到了自己不足之处，也意识到了团体合作关键性。四天比赛对我们来说是很难得人生体验：熬夜调硬件，通宵写程序，白天吃泡面，晚上睡试验室，处理一个问题，碰到另一个问题……这段经历，必将成为我们以后学习生活中一笔宝贵财富。
最终感谢学校和TI企业提供这次参赛机会，让我们在实践中汲取知识、不停成长。
六、参考文件

[1] 高晋占. 微弱信号检测[M]. 清华大学出版社, .
[2] Carter B, Mancini R. 运算放大器权威指南[J]. .

附录
A、 电源板原理图：

图16电源板原理图

B、锁定放大器电路原理图：

图17锁定放大器原理图