一種雙相位鎖相放大電路設(shè)計

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(chǔ)上，采用CD4046和AD630設(shè)計了一個雙相位鎖相放大器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)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(shí)用型鎖相放大電路。
關(guān)鍵詞 鎖相放大電路；CD4046；AD630

    隨著科技的不斷進(jìn)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(shí)用的鎖定放大器的設(shè)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(jié)構(gòu)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)。

    信號通道對調(diào)制正弦信號輸入進(jìn)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，并且要濾除部分干擾和噪聲。圖中濾波電路選擇帶通濾波電路，經(jīng)過帶通濾波電路后的信號輸入信號與參考輸入信號進(jìn)入PSD做一個乘法。PSD的功能是將輸入信號與參考信號進(jìn)行混頻，輸出和頻信號和差頻信號。LPF用于輸出相乘后的差頻信號，同時濾掉和頻信號，從而得到放大后的微弱信號。參考可以是從外部輸入的某種周期信號，也可以是系統(tǒng)內(nèi)原先用于調(diào)制的載波信號或者用于斬波的信號。在外差式震蕩技術(shù)中被稱作本地振蕩，用于做乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)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(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，一般的乘法運(yùn)算模擬電路，其線性度和穩(wěn)定性均有問題，因此，在實(shí)際的鎖相放大器中，頻率變換是采用開關(guān)元件進(jìn)行同步檢波來實(shí)現(xiàn)。由開關(guān)元件所進(jìn)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?yàn)檩敵鲂盘柡蛥⒖夹盘柖a(chǎn)生較大變化，因此導(dǎo)致LPF的輸出也會變化，即鎖相放大器的測量值會發(fā)生變化。對于單相位鎖相放大器，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(yīng)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(jīng)過放大濾波后分別與兩個正交的參數(shù)信號相乘，再經(jīng)過低通濾波后得到的是直流分量，直流分量經(jīng)過放大后輸出，被測信號的幅值與R的關(guān)系為
   
    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(chǎn)生是通過集成鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。
1．2 鎖相放大電路中的相關(guān)器原理
    鎖相放大電路中最重要的部分是相關(guān)器(PSD)部分，它是鎖相放大電路的核心，起著至關(guān)重要的作用。相關(guān)器是相關(guān)函數(shù)的物理模型，是一種完成被測信號和參考信號互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算的電子線路，相關(guān)器又叫相敏檢波器。
    設(shè)輸入信號
   
    上式表明，相敏檢波器的輸出包括兩部分，前者為輸入信號與參考信號的差頻分量，后者為和頻分量。當(dāng)被測信號與參考信號同步時，即f1=f2時，差頻分量為零，這時差頻分量編程相敏直流電壓分量，而和頻分量為倍頻。其物理意義表示信號經(jīng)過相敏檢波以后，信號頻譜相對頻率做了相對位移，即由原來以f1為中心的頻譜遷移至以直流和倍頻為中心的兩個頻譜，經(jīng)過低通濾波濾除倍頻分量，從而使輸出變?yōu)?br />    
    因?yàn)閒1=f2，設(shè)θ=θ1-θ2，則最后經(jīng)過低通濾波后只有直流分量能通過，其它與時間t有關(guān)的項(xiàng)不能通過低通濾波，所以經(jīng)過想敏檢的輸出信號經(jīng)過低通濾波后只剩直流分量。

2 雙相位鎖相放大器的設(shè)計
    根據(jù)以上理論分析：采用集成鎖相環(huán)CD4046來產(chǎn)生所需要的正交參考信號和AD630作為PSD電路來設(shè)計該電路。鎖相環(huán)是一種反饋控制電路，其目的是消除頻率誤差。CD4046內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如圖3所示，CD4046有兩個相位比較器，比較器1采用異或門結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個輸入信號的電平狀態(tài)相同時，比較器輸出為低電平，比較器1輸出的信號頻率是信號輸出頻率的兩倍，并且與兩輸入信號之間的中心頻率保持90°相移，其所輸出的波形不一定對稱，其要求兩輸入信號之間的占空比為50％，此時鎖定范圍最大，相位比較器2是一個上升的數(shù)字存儲網(wǎng)絡(luò)，對輸入信號的占空比要求不高，允許輸入非對稱波形，但其具有很寬的捕捉頻率范圍?；诖嗽O(shè)計U1和U2采用相位比較器1輸出，使輸出的波形為占空比50％，從而得到最大的鎖定范圍，U3的輸入信號相位相對于U1平移了90°，U2和U4使用相位比較器2，使信號具有很寬的頻率捕捉范圍。此部分的難點(diǎn)在于CD4046中振蕩電路參數(shù)的確定。

    參數(shù)的確定參考文獻(xiàn)可知：環(huán)路參數(shù)的計算主要是確定與VCO輸出頻率有關(guān)的電阻R1和R2，電容C1的值以及環(huán)路濾波參數(shù)的值，即R3和R4。由參考文獻(xiàn)得振蕩電路各參數(shù)如下
   
    其中，10 kΩ≤R1≤1 MΩ；10 kΩ≤R2≤1 MΩ；100 pF≤C1≤0．01μF。
    環(huán)路濾波參數(shù)的計算：利用參考文獻(xiàn)的結(jié)論可知，鑒相器靈敏度，Vcc為供電電源。壓控振蕩器的靈敏度
   
    其中fr為輸入信號頻率，本設(shè)計選取η=1，fr=1 500 Hz，C1=0．01 μF，C2=10μF則可推出R1=R2=1 MΩ，R3=112 Ω，R4=212 Ω；總體電路如圖4所示。

    由CD4046產(chǎn)生的正交正弦信號經(jīng)過PSD模塊，輸出兩個正弦分量和余弦分量的直流信號，此信號中還含有少量的低頻信號，需要通過低通濾波濾掉此類信號。低通濾波電路如圖5所示。

    該低通濾波電路的，由此可以算出通帶截止頻率f0=32Hz。

3 測試結(jié)果分析
    針對該設(shè)計的電路，輸入被測電流，得到被測電壓，從而得到兩者的關(guān)系，測試多組電流，測試結(jié)果如表1所示。

    從測試結(jié)果可以看出：在不同的電流下，參考頻率均為1 500 Hz，保證了參考頻率的穩(wěn)定性，同時該電路的靈敏度為20 mV／mA，精度為0．05％，表明該電路是一種高精度、實(shí)用的鎖相放大電路。

4 結(jié)束語
    鎖相放大電路在微弱信號檢測中具有較大優(yōu)勢，和一般交流放大電路不同，其不是簡單的放大，而是把與待測信號中與參考信號同步的那些信號檢測出來，得到相應(yīng)的直流信號，此設(shè)計的鎖相放大電路主要用于檢測周期性的電壓和電流，對于非周期性的電壓和電流，可以采用調(diào)制的方法將其調(diào)制成周期性信號再進(jìn)行檢測，此外還可用于一些氣體濃度傳感器中，具有一定的工業(yè)應(yīng)用價值。