一種雙相位鎖相放大電路設計

2020-12-05 電子產品世界

摘要 為更好地提取被噪聲淹沒的微弱信號，在分析了鎖相放大器原理的基礎上，採用CD4046和AD630設計了一個雙相位鎖相放大器，並進行了實驗驗證，實驗驗證結果表明，該放大器可以測量1 mA以下的交流電流，靈敏度為20 mV／mA，精度0．05％，是一種高精度、實用型鎖相放大電路。
關鍵詞 鎖相放大電路；CD4046；AD630

隨著科技的不斷進步，被噪聲掩蓋的各種微弱信號的檢測越來越受到重視，常用的檢測方法有同步累加和鎖相放大法。文中主要論述一種實用的鎖定放大器的設計方法。

1 鎖相放大原理
1．1 鎖相放大原理及雙相位鎖相放大器
鎖相放大器的工作原理結構如圖1所示，包括想信號通道，參考通道，相敏檢測器(PSI))和低通濾波器(LPF)。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/186522.htm


信號通道對調製正弦信號輸入進行交流放大，將微弱信號放大到足以推動相敏檢測工作的電平，並且要濾除部分幹擾和噪聲。圖中濾波電路選擇帶通濾波電路，經過帶通濾波電路後的信號輸入信號與參考輸入信號進入PSD做一個乘法。PSD的功能是將輸入信號與參考信號進行混頻，輸出和頻信號和差頻信號。LPF用於輸出相乘後的差頻信號，同時濾掉和頻信號，從而得到放大後的微弱信號。參考可以是從外部輸入的某種周期信號，也可以是系統內原先用於調製的載波信號或者用於斬波的信號。在外差式震蕩技術中被稱作本地振蕩，用於做乘法運算實現的信號，在鎖相放大器中被稱作參考信號是從外部輸入的。
頻率變換是通過乘法運算實現的，一般的乘法運算模擬電路，其線性度和穩定性均有問題，因此，在實際的鎖相放大器中，頻率變換是採用開關元件進行同步檢波來實現。由開關元件所進行的同步檢波電路，稱作相敏檢波器，相敏檢波器是鎖相放大器的核心。
PSD的輸出信號會因為輸出信號和參考信號而產生較大變化，因此導致LPF的輸出也會變化，即鎖相放大器的測量值會發生變化。對於單相位鎖相放大器，除了相位差為0之外，在其它相位差情況下，不能很好地測量被測型號的大小，所以此時應該將參考信號的相位移動90°，試用兩個PSD，組成雙相位鎖相放大器，這樣就能正確的測量振幅和相位，其原理如圖2所示。


被測信號經過放大濾波後分別與兩個正交的參數信號相乘，再經過低通濾波後得到的是直流分量，直流分量經過放大後輸出，被測信號的幅值與R的關係為

通過式(1)可以測量被測信號的幅值。其中φ為被測信號與參考信號的相位差。正交參考信號的產生是通過集成鎖相環實現。

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