基于相关检测的微弱信号放大电路设计

基于相关检测的锁定放大器的设计颜涛（509100318）吴明赞（南京理工大学江苏南京210094）摘要：相干检测技术是利用参考信号与有用信号具有相关性，而与噪声互不相关的性质，从而通过互相关系运算来削弱噪声，达到提高信噪比的1种微弱信息检测技术。相干检测技术是众多微弱信号检测技术中能够使信噪比改善最大，恢复信号原形的最佳技术。关键词：微弱信号，相干检测，锁定放大Correlation-baseddetectionofthedesignoflock-inamplifierYanTaoWuMingzan(SchoolofAutomation,NUST,Nanjing210094,China)Abstract:Thecoherentdetectiontechnologyistheuseofthereferencesignalandtheusefulsignalhascorrelationwiththenatureofthenoiseunrelatedtotherelationshipamongtheoperationstoweakenthroughthenoise,toimprovethesignaltonoiseratioof1kindsofweakinformationdetectiontechnology.Coherentdetectiontechnologyisthelargenumberofweaksignaldetectiontechnologythatcanmakethegreatestsignaltonoiseratiotoimproveandrestorethesignalprototypeofthebesttechnology.Keywords:weaksignal,coherentdetection,Lock-inAmplifier1引言微弱信号是指深埋在背景噪声中的极其微弱的有用信号。随着科学技术的不断发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测(如、弱光、微温差、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视。而对于众多的微弱量一般都通过各种传感器、放大器作非电量转换的，使检测对象变换成可测的电量。但微弱检测本身的涨落，以及传感器的优劣与检测系统的噪声影响，从而影响总的检测效果。目前，相干检测技术是使信噪比改善最大，恢复信号原形最佳的技术，同时也是众多检测技术中最成熟的技术。锁相放大器是在50年代发展起来的相敏检波器的基础上发展起来的新型微弱光电信号检测仪器，它用于测量深埋在噪声或直流漂移中极其微弱的光电信号，在科学研究和工业生产中得到越来越广泛的应用。本文在分析锁相放大器的电路构成、工作原理和设计要求的基础上，本着精确、实用、稳定、节约开支的原则，提出锁相放大器各部分的设计思路，并由此研制了一款便于自制的锁相放大器。2锁定放大原理锁相放大器采用的是外差式振荡技术，它把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。即利用锁相放大器中的信号相关原理，对两个混有噪声的周期信号进行相乘和积分处理后,将信号从噪声中检测出来，并达到通过互相关运算削弱噪声影响的目的。设是伴有噪声的周期信号,即:X(t)=S(t)+N(t)=sin()()AwtNt其中，N(t)为随机噪声，S(t)为有用信号，A为其幅值，角频率为ω，初相角为φ。参考正弦信号为:Y(t)=sin()()BwtMt其中，B为其幅值，τ是时间位移，()Mt为随机噪声。则两者的相关函数为：01()lim[sin()()][sin()()]TTRxytBwtMtAwtNtdtTcos()()2ABwtRnyt由于在被测量的信号里所包含的各种信号分量中,参考信号Y(t)的频率只与输入的有用信号频率相关，与随机噪声N(t)的频率不相关，且有用信号S(t)与随机噪声()Mt之间及噪声与噪声之间的频率也均相互独立，所以它们的相关函数为零，即()Rnyt=0。于是，就有()Rnytcos()2ABwt。从而,令锁相放大器实现了从噪声中提取有用信号的目的。理论上已证明，当信号的频率和相位已知，采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大。3锁相放大器结构分析锁定放大器一种利用相关检测技术实现微弱信号检测的仪器，它能精确测量被掩埋在噪声中的微弱信号。锁相放大器的输入为正弦波或方波交流信号，其输出为正比于输入波形幅值的直流信号。锁定放大器的基本组成如图（1），包括信号通道、参考通道、相敏检测器（PSD）和低通滤波器（LPF）等。（1）信号通道对输入信号进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。（2）参考通道的功能是为相敏检测器提供与被测信号相干的控制信号，故参考输入必须是与被测信号相关的同频信号。参考通道的输出r(t)可以是正弦波，也可以是方波，但为了防止r(t)的幅度漂移影响锁定放大器的输出精度，r(t)最好采用采用占空比为50%的方波开关信号，用电子开关实现相敏检测。（3）相敏检波器的输出通过低通滤波器压缩带宽，大量的宽带噪声被滤除，使锁相放大器具有很强的抑制噪声能力。锁相放大器的通带宽度取决于低通滤波器的时间常数，时间常数越长，带宽越窄，对信噪比的改善也就越高。信噪比的改善与时间常数的平方根成正比。为使LPF的输出满足要求，常常使用直流放大器对其输出进行放大。简言之锁相放大器就是将深埋在噪声中特定频率的微弱信号提取出来并进行放大。4具体电路设计及分析信号输入前置放大及滤波处理相敏检波低通滤波参考信号输入移相直流放大信号输出图（1）锁定放大电路的工作原理4.1前置放大电路红外信号检测的前置低噪声放大滤波电路如图（2）。OPA27是一种低噪声精密集成运算放大器，具有共模抑制能力和电源噪声抑制能力强以及高稳定、低失调、超低噪声等特点。红外传感器输出的微弱电信号经耦合电容C（滤除直流电压）加之OPA27的同相输入端经低噪声放大及滤波后输出。为达到高性能电阻应选用金属膜电阻器，电容应选用云母电容器。2211(2)1uoRAuuiRRCw其截止频率约为170HZ。为防止因噪声过大而使后级PSD过载这里其放大倍数增益设计为可调11—100倍。图（2）前置低噪声滤波放大电路4.2参考频率产生电路由于红外传感器输出为频率固定的60HZ的方波，可选用555时基电路构成方波发生器产生频率为方波，作为参考信号的输入。其电路如图（3）输出高电平时间tH和低电平时间tL的计算方法如下：tH=0.693(RA+RB)CtL=0.693RBC周期=tH+tL=0.693(RA+2RB)C图（3）参考信号产生电路经计算这里选取C=1uF，RA=0.1K,RB=12K.其输出频率为f=1/(0.693*(RA+2RB)*C)=60HZ4.3锁相电路锁相环CD4046为数字锁相环(PLL)芯片，内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。它具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点，其工作频率达1MHz，内部VCO产生50%占空比的方波。锁相环CD4046的一个重要功能是：内部压迫、控振荡器的输出信号从第4脚输出后引至第3脚输入，与从第14脚输入的外部基准频率信号和相位的比较。当两者频率相同时同，压控振荡器的频率能自动调整，直到与基准频率相同。4.4相敏检波器采用AD630组成电子开关式相敏检测器。其电路组成如图（5）。参考方波信号有CD4046产生，待测信号有引脚1输入，参考方波信号有锁相环CD4046实现，经相关运算后有13引脚输出。4.5低通滤波电路相敏检测输出经低通滤波器得到所需直流信号，再经直流放大调整是输出满足系统增益要求。其电路如图（6）。相敏检测的输出信号经U1A实现低通窄带滤波及放大，滤除和频交流分量得到直流输出，其直流放大倍数为11，截止频率1221fRC=16HZ。而后经电容C2平滑使其输出稳定的直流信号经可调增益放大器U2A做进一步后续处理。其总的增益调节范围为11~220。图（4）参考信号锁定输出电路图（5）相敏检波电路图（6）低通滤波及直流放大电路4.6总体性能估计系统总体电路原理图见附录。此电路做到其输出增益可调（1100—20000倍放大），动态范围大，测量灵敏度高能将几十微伏的微弱信号进行精确提取放大。此电路针对特定频率的传感器信号（即输出60HZ）进行设计，故其频率特性不满足的传感器信号无效。因为IC锁相环CD4046具有自动捕捉输入信号频率的功能，故为改善其测量使用范围可将CD4046的输入端接至前置放大器的输出端使其自动跟踪所测信号频率，实现输入可调放大，此时。在这种情况下当噪声比较严重时其输出性能可能会有所下降。5在锁相放大器的应用中需要考虑的若干问题1．LIA的功能相当于一种抑制噪声能力很强的交流电压表，其输入是正弦波或方波交流信号，输出是正比于输入波形幅值的直流信号。如果被测信号不是交流信号，则需要用调制或斩波的方式将其变换成交流信号。2．LIA的参考信号输入必须是与被测信号相关的同频信号。如果确实不能获得合适的同频参考信号，则可用锁相环进行自动频率跟踪检测。3．LIA的信号输入前置级放大器工作参数的选择，必须根据放大器的噪声因子，在给定的工作频率下进行输入电阻匹配，以获得最佳噪声特性。6结束语锁相放大器是一种高性能的通用测量仪器，它能精确地测量被掩埋在噪音中的微弱信号。随着科学技术的飞速发展，在电子学、信息科学、光学、电磁学、低温物理等许多领域,越来越需要测量深埋在噪音中的微弱信号。本文介绍了一种低成本，灵活性高的锁相器。参考文献[1]高晋占.微弱信号检测.清华大学出版社.2004.11[2]陈银根.微弱信号检测技术的研究.江西科学22(3).2004.8[3]刘铁军,王保良等一种工作频率可调的锁定放大电路在液体微弱电导测量中的应用.传感技术学报19（2），2006.4[4]施风荣.锁相放大器的设计.湖南工业职业技术学院学报7(3).2007.9[5]朱虹,林君.参考信号频率自调整的锁定放大器的设计应用.仪器仪表学报25(4).2004.8[6]郑君里.信号与系统[M].北京:高等教育出版社,2001.[7]王松武.电子仪器原理与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工程出版社,2001.[8]宋启峰.电子测量技术[M].重庆:重庆大学出版社,2000.[9]TRohe,WBeeker.Areyetal.J.NearInfraredSpec-trosc.1998.[10]FarmeV.C.,Theinfraredspectraofminerals.Mineral.Soe.Monog.1974,4[11]LuJ-C.ADigitalFrequencySynthesizer-PhaseSensitiveDe-tector[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeas-urement,JUNE1998,37(2).附录系统总体设计原理图