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一种双相位锁相放大电路设计

作者:时间:2016-10-16来源:网络收藏

摘要 为更好地提取被噪声淹没的微弱信号,在分析了器原理的基础上,采用CD4046和AD630设计了一个器,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)。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201610/308230.htm

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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。

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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
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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。
1.2 锁相放大电路中的相关器原理
锁相放大电路中最重要的部分是相关器(PSD)部分,它是锁相放大电路的核心,起着至关重要的作用。相关器是相关函数的物理模型,是一种完成被测信号和参考信号互相关函数运算的电子线路,相关器又叫相敏检波器。
设输入信号
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上式表明,相敏检波器的输出包括两部分,前者为输入信号与参考信号的差频分量,后者为和频分量。当被测信号与参考信号同步时,即f1=f2时,差频分量为零,这时差频分量编程相敏直流电压分量,而和频分量为倍频。其物理意义表示信号经过相敏检波以后,信号频谱相对频率做了相对位移,即由原来以f1为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心的两个频谱,经过低通滤波滤除倍频分量,从而使输出变为
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因为f1=f2,设θ=θ1-θ2,则最后经过低通滤波后只有直流分量能通过,其它与时间t有关的项不能通过低通滤波,所以经过想敏检的输出信号经过低通滤波后只剩直流分量f.JPG

2 双相位锁相放大器的设计
根据以上理论分析:采用集成锁相环CD4046来产生所需要的正交参考信号和AD630作为PSD电路来设计该电路。锁相环是一种反馈控制电路,其目的是消除频率误差。CD4046内部结构及引脚如图3所示,CD4046有两个相位比较器,比较器1采用异或门结构,当两个输入信号的电平状态相同时,比较器输出为低电平,比较器1输出的信号频率是信号输出频率的两倍,并且与两输入信号之间的中心频率保持90°相移,其所输出的波形不一定对称,其要求两输入信号之间的占空比为50%,此时锁定范围最大,相位比较器2是一个上升的数字存储网络,对输入信号的占空比要求不高,允许输入非对称波形,但其具有很宽的捕捉频率范围。基于此设计U1和U2采用相位比较器1输出,使输出的波形为占空比50%,从而得到最大的锁定范围,U3的输入信号相位相对于U1平移了90°,U2和U4使用相位比较器2,使信号具有很宽的频率捕捉范围。此部分的难点在于CD4046中振荡电路参数的确定。

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参数的确定参考文献可知:环路参数的计算主要是确定与VCO输出频率有关的电阻R1和R2,电容C1的值以及环路滤波参数的值,即R3和R4。由参考文献得振荡电路各参数如下
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其中,10 kΩ≤R1≤1 MΩ;10 kΩ≤R2≤1 MΩ;100 pF≤C1≤0.01μF。
环路滤波参数的计算:利用参考文献的结论可知,鉴相器灵敏度i.JPG,Vcc为供电电源。压控振荡器的灵敏度
j.JPGk.JPG
l.JPG其中fr为输入信号频率,本设计选取η=1,fr=1 500 Hz,C1=0.01 μF,C2=10μF则可推出R1=R2=1 MΩ,R3=112 Ω,R4=212 Ω;总体电路如图4所示。

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由CD4046产生的正交正弦信号经过PSD模块,输出两个正弦分量和余弦分量的直流信号,此信号中还含有少量的低频信号,需要通过低通滤波滤掉此类信号。低通滤波电路如图5所示。

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该低通滤波电路的o.JPG,由此可以算出通带截止频率f0=32Hz。

3 测试结果分析
针对该设计的电路,输入被测电流,得到被测电压,从而得到两者的关系,测试多组电流,测试结果如表1所示。

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从测试结果可以看出:在不同的电流下,参考频率均为1 500 Hz,保证了参考频率的稳定性,同时该电路的灵敏度为20 mV/mA,精度为0.05%,表明该电路是一种高精度、实用的锁相放大电路。

4 结束语
锁相放大电路在微弱信号检测中具有较大优势,和一般交流放大电路不同,其不是简单的放大,而是把与待测信号中与参考信号同步的那些信号检测出来,得到相应的直流信号,此设计的锁相放大电路主要用于检测周期性的电压和电流,对于非周期性的电压和电流,可以采用调制的方法将其调制成周期性信号再进行检测,此外还可用于一些气体浓度传感器中,具有一定的工业应用价值。



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