一种双相位锁相放大电路设计

摘要 为更好地提取被噪声淹没的微弱信号，在分析了锁相放大器原理的基础上，采用CD4046和AD630设计了一个双相位锁相放大器，并进行了实验验证，实验验证结果表明，该放大器可以测量1 mA以下的交流电流，灵敏度为20 mV／mA，精度0．05％，是一种高精度、实用型锁相放大电路。
关键词 锁相放大电路；CD4046；AD630

随着科技的不断进步，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测越来越受到重视，常用的检测方法有同步累加和锁相放大法。文中主要论述一种实用的锁定放大器的设计方法。

1 锁相放大原理
1．1 锁相放大原理及双相位锁相放大器
锁相放大器的工作原理结构如图1所示，包括想信号通道，参考通道，相敏检测器(PSI))和低通滤波器(LPF)。

信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声。图中滤波电路选择带通滤波电路，经过带通滤波电路后的信号输入信号与参考输入信号进入PSD做一个乘法。PSD的功能是将输入信号与参考信号进行混频，输出和频信号和差频信号。LPF用于输出相乘后的差频信号，同时滤掉和频信号，从而得到放大后的微弱信号。参考可以是从外部输入的某种周期信号，也可以是系统内原先用于调制的载波信号或者用于斩波的信号。在外差式震荡技术中被称作本地振荡，用于做乘法运算实现的信号，在锁相放大器中被称作参考信号是从外部输入的。
频率变换是通过乘法运算实现的，一般的乘法运算模拟电路，其线性度和稳定性均有问题，因此，在实际的锁相放大器中，频率变换是采用开关元件进行同步检波来实现。由开关元件所进行的同步检波电路，称作相敏检波器，相敏检波器是锁相放大器的核心。
PSD的输出信号会因为输出信号和参考信号而产生较大变化，因此导致LPF的输出也会变化，即锁相放大器的测量值会发生变化。对于单相位锁相放大器，除了相位差为0之外，在其它相位差情况下，不能很好地测量被测型号的大小，所以此时应该将参考信号的相位移动90°，试用两个PSD，组成双相位锁相放大器，这样就能正确的测量振幅和相位，其原理如图2所示。

被测信号经过放大滤波后分别与两个正交的参数信号相乘，再经过低通滤波后得到的是直流分量，直流分量经过放大后输出，被测信号的幅值与R的关系为

通过式(1)可以测量被测信号的幅值。其中φ为被测信号与参考信号的相位差。正交参考信号的产生是通过集成锁相环实现。