摘要：針對目前成品鎖相放大器價格昂貴且體積大，傳統(tǒng)窄帶濾波法性能和靈活性差的特點，設計了基于鎖相放大器原理的微弱信號檢測電路。本電路采用單片機作為激勵信號和參考信號的發(fā)生器，利用帶關斷引腳的運放實現(xiàn)相敏檢波器，整個電路僅使用了5個運算放大器和一些阻容元件。實驗表明，本電路能實現(xiàn)了從信噪比為0．1的被測信號中提取有用信號幅值的功能，測量誤差控制在5％以內。由于本電路有實現(xiàn)簡單和成本低的特點，稍加修改后可作為模塊電路用到其他測量系統(tǒng)當中。
關鍵詞：微弱信號檢測；鎖相放大器；相關檢測；正交矢量
在科學研究和工程實踐中，對于微弱信號的檢測有如下2種常見的方法：
1)窄帶濾波。即將帶噪聲的微弱信號濾波，根據需要的輸出信噪比選擇合適的通頻帶帶寬。這種方法由于實現(xiàn)起來簡單且成本比較低，因此得到了廣泛的應用。但是為了得到高的信噪，要求濾波器的通頻帶很窄，這可能存在中心頻率不穩(wěn)定等問題，很難實現(xiàn)，而且這種方法只能測量單個頻點的信號，靈活性較差。
2)相關檢測。相關檢測技術主要利用有用信號的相關性，以鎖相放大器為例，將待測信號和參考信號相乘，由于參考信號和待測信號有相關性相關性，但和噪聲卻沒有相關性，因而對相乘后的信號進行濾波后會得到一個直流分量，該信號中包含了待測信號的幅值和相位信息。
由于與窄帶濾波的方法相比，鎖相放大方法可以實現(xiàn)大得多的信噪比，因而在需要高度精密測量的領域得到了廣泛的應用。然而由于鎖相放大器是一種十分昂貴的儀器，在一般的工程測量領域應用的并不多，目前窄帶濾波的方法依然是一般工程測量領域的主流方法。為了測量某被測網絡的特性，本文利用鎖相放大器的原理，設計了一種微弱信號檢測電路用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的窄帶濾波方法，這種電路具有性能好、成本低的特點，并且可以直接作為模塊電路集成到實際系統(tǒng)當中。
1 總體設計
1．1 系統(tǒng)需求
如圖1所示，將一個激勵信號輸入到被測網絡中，通過測量從被測網絡輸出的信號，我們可以得到被測網絡的一系列特征信息。激勵信號的頻率范圍為500 Hz到2 kHz。由于被測網絡的作用，輸出的被測信號中有用信號被噪聲所淹沒，其中噪聲的峰峰值最大為1 V，其的功率譜在100 Hz到1 MHz內近似平坦分布；而有用信號的峰峰值在100 mV到200 mV之間。為了準確的獲取被測網絡的特性，要求微弱信號檢測電路從噪聲中測量出有用信號的峰峰值，對有用信號的測量精度要求在5％以內。
1．2 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)的總體結構圖如圖2所示，本系統(tǒng)基于正交矢量鎖相放大器的原理實現(xiàn)，其中包含了兩路相敏檢波器和兩路低通濾波器。單片機產生兩路相互正交的參考信號，由于被測信號是由單片機產生的激勵信號通過被測網絡后得到的信號，因此可以做到被測信號與參考信號同頻。系統(tǒng)中其余各部分的功能如下：
1)信號通道。信號通道主要是對被測信號進行預濾波和交流放大等處理。預濾波提高了信號的信噪比，減小了對相敏檢波器的動態(tài)容限的要求，交流放大使得信號在進入相敏檢波器時有合適的幅值。
2)相敏檢波器。相敏檢波器對被測信號和參考信號進行乘法運算，并得到它們和頻與差頻信號。由于被測信號和參考信號通頻，和頻信號為直流信號。差頻信號通過后面的低通濾波器濾除。
3)低通濾波器。低通濾波器濾除和頻信號以及噪聲信號，提到輸出直流信號的信噪比。
4)單片機。單片機產生參考信號以及激勵信號，并通過AD轉換器采樣低通濾波器輸出的兩路信號，計算后得到被測信號的幅值和相位，最終通過LCD顯示測量結果。
2 理論分析
2．1 相關檢測原理
經過低通濾波器以后，只要設置低通濾波器的截止頻率fout，滿足fout≤f，并且其帶寬足夠窄，就可以濾出所有頻率高于截止頻率的信號，這時同相輸出I，正交輸出Q。
根據這兩路輸出，進行運算單元的處理，就可以得到待測有用信號的幅值A和相位φ。
2．2 信噪比分析
由上文的分析可知，為了獲取有用信號，需要在相敏檢波器后面進行低通濾波，以濾去和頻信號和噪聲，因此濾波器的帶寬決定了最終信號的信噪比。由于被測信號中噪聲的功率譜特性是近似平坦的，而噪聲的能量與帶寬成正比，在知道了原信噪比和目標信噪比以后，就可以求出低通濾波器的帶寬。原信噪比就是被測信號在未進過任何處理時的信噪比，記為SNR1，目標信噪比就是進入AD轉換器前信號的信噪比，記為SNR2。根據系統(tǒng)需求可得這2個信噪比為：
一階低通濾波器的3 dB帶寬與其等效噪聲帶寬的比值約為1：1．5，因此如果低通濾波器采用一階低通濾波器的話，其3 dB帶寬最大為16．7 Hz。本系統(tǒng)為了留余量，將低通濾波器的截止頻率設置在了5 Hz。
3 電路設計
3．1 信號通道
信號通道的電路原理圖如圖3所示，信號通道由一個帶通濾波器和一個放大器組成。由于待測信號的頻率范圍為500 Hz到2 kHz之間，為了保證精度，將帶通濾波器的低頻端轉折頻率foutL約為100 Hz，高頻端轉折頻率foutH約為10 kHz；由于待測信號源等效內阻小于100 Ω，所以濾波器輸入端沒有加跟隨，只是用簡單的一階RC濾波器級聯(lián)實現(xiàn)。放大器采用FET輸入型運放OPA132實現(xiàn)，OPA132的增益帶寬積為10 MHz，放大器的放大倍數(shù)為52倍。
3．2 相敏檢波器
相敏檢波器的電路原理圖如圖4所示。電路采用了兩個帶關斷引腳的運放TLV2460，當運放的關斷引腳(nSHDN)為高電平時，運放正常輸出；當運放的關斷引腳為低電平時，運放輸出為為高阻態(tài)。這里使用了一個同相跟隨器和一個反相跟隨器并聯(lián)的方式來實現(xiàn)相敏檢波，當參考信號為高電平時，U2為同相輸出，U3為輸出高阻，所以總輸出為同相輸出；當參考信號為低電平時，U2為輸出高阻，U3為反相輸出，所以總輸出為反相輸出。通過這種方法，相當于信號通道信號同步于參考信號與+1和-1進行了乘法運算。采用這種方法進行乘法運算避免了使用昂貴的模擬乘法器，且精度比模擬乘法器要高。
3．3 低通濾波器
低通濾波器的電路原理圖如圖5所示。低通濾波器為一個簡單的一階RC濾波器，截止頻率約為5 Hz。
4 實驗結果
為了驗證電路的性能，設計里一個模擬的被測網絡。其基本原理是利用電阻分壓模擬網絡衰減特性，利用加法器將噪聲混到有用信號中。實驗的結果如圖6所示，其中橫坐標為被測信號中有用信號的峰峰值，縱坐標為測量誤差，從圖中可以看到所有測量結果的誤差都控制在了5％以內，而且隨著有用信號峰峰值的增大測量誤差進一步減小。
5 結論
本文基于鎖相放大器的原理設計了一種低成本的微弱信號檢測電路，整個電路只使用了5個運算放大器和一些阻容元件，有效地實現(xiàn)了從被噪聲淹沒的信號中提取有用信號的功能。與使用成品鎖相放大器相比本電路有成本低廉、體積小、易集成等優(yōu)點；與傳統(tǒng)的窄帶濾波法相比，本電路有性能好、靈活性高等優(yōu)點。本文中使用的方法不但可以用來測量本文所訴網絡的特性，稍加修改后還可以作為模塊電路用在諸如RLC阻抗分析、光譜分析等領域。
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