论文总字数：18219字

目 录

1 引 言 5

1.1课题研究的背景和意义 5

1.2 国内外研究现状 5

1.3 论文主体安排 6

2 系统工作原理及整体设计 7

2.1 基本原理 7

2.1.1锁相环AD630介绍 7

2.1.2调制解调原理 7

2.2 结构框图 8

2.3 本章小结 8

3 系统各模块设计 10

3.1 信号通道模块设计 10

3.1.1 低噪声前置放大器电路设计 10

3.1.2 跟踪带通滤波器电路设计 11

3.2 参考通道模块设计 13

3.2.1 参考通道放大器的设计 13

3.2.2 锁相环电路设计 14

3.2.3 相移器电路设计 16

3.3 相关器模块设计 17

3.3.1 相敏检波器电路设计 17

3.3.2 低通滤波器的电路设计 18

3.4 其他模块设计 19

3.4.1 供电电源设计 20

3.4.2 电压检测与显示 20

3.5 本章小结 20

4 系统各电路实验结果与分析 21

4.1 前置放大器仿真结果 21

4.2 跟踪带通滤波器制作与测试 23

4.3 参考通道放大器与锁相环的实验结果与分析 25

4.4 相关器的实验结果与分析 27

4.5 系统硬件实物测试 28

4.6 本章小结 30

5 结论 31

参考文献 31

致 谢 33

基于锁相环实现锁定放大

姓名：郭天出

, China

Abstract: In this paper, a lock-in amplifier based on AD630 is designed because the traditional amplifier has poor performance and is difficult to detect weak signal. The system is mainly classed as signal channels, reference channels, correlator, power supply, voltage detection, display and so on. In the signal channel, the input signal is firstly deal with by tracking band-pass filters, which improves the signal-to-noise ratio of the output signal, and reduces the interference noise of the channel effectively by the method of parallel multiple amplifiers in the input stage. The reference channel is mainly used to multiply the signal, the correlator is mainly used to carry on the correlation operation between the reference signal and the input signal. The power supply is reduced by the method of digital mode power isolation to reduce the power ripple in the circuit. The voltage detection range is obviously improved by the partial pressure of the resistor in the circuit. The display uses a digital voltmeter to show the final output of the measured signal. The simulation results show that the design circuit has the advantages of simple construction, fast running speed, dynamic feasibility and stable work.

Key words: Noise, Lock-in Amplifier, AD630, PSD

1 引 言

1.1课题研究的背景和意义

随着数字科学技术的进步和社会的需要，越来越多的领域需要采集和处理大量的信息。信号采集的过程需要使用传感器将速度变化、电强和压强变化等物理量转化为电信号。在实际环境中，设备采集得到信号都比较微弱，无法很好地分析和使用。与此同时，设备在采集过程中会将环境中的干扰、设备的本底噪声和固有噪声引入，并且对采集的有用信号进行干扰。这些噪声对有用信号产生干扰进而失真。在使用以往的传统放大器时，所有的信号（不区分有用、无用）都被一起放大，最终无法分辨各路信号，这样做不利于信息的处理。由此可知，在当今的生产和生活中，传统放大器已经不能满足企业的要求了^{[1-3 ]}。

锁定放大器可以减少无用信息，提高输出信号的信噪比检测，是一种通过相关器进行信号相敏检波的电路。由于电路参考信号的频率和相位与被测信号相同，因此放大器在信号检测处理过程中，电路响应只对检测信号以及同频或倍频的噪声分量有效。

锁定放大器在检测灵敏度和信号处理过程中具有高信噪比、强灵敏度等优点，因此它可以用于微弱信号检测。与传统放大器相比，锁定放大器还具有高品质因数、窄通频带、中心频率稳定的特点。另外，它可以当做弱信号的信号恢复仪器，使弱信号在实际采集过程中不会被抑制或者消除，这一点在实际测量过程有着重要作用^[5,6]。锁定放大器通过窄带频率控制将有用信号和噪声分离，因此它可以看作是窄带滤波器和检测器的结合，并且具有减少噪声干扰和增大信号功率的作用^[7,8]。在背景噪声环境下，利用锁定放大器的这一特点，还可以用于提取微弱信号。锁定放大器不仅可以抑制噪声，还可以将有用信号从不同环境中的提取出来，而且工作性能稳定、中心频率不变。因此，它常被应用于检测电机器件、激光信号等弱信号领域。锁定放大器与其他的微弱信号检测方法相比，性能更稳定，操作更简单、灵活性更高。本文将相关检测与锁定放大器结合，作为整个锁定放大器电路中改进的最核心部分。我们把利用相关性进行检测和提取信号的技术叫做相关检测^[9,10]。这种技术通过调节参数可以使滤波器带宽变窄，滤去本底噪声和环境噪声，从而减少噪声对有用信息的影响。

1.2 国内外研究现状

1962年，世界上第一台锁相放大器问世，它是由美国的EGamp;G PARC研究发明。它将检测信噪比提升至1000，使得锁相放大器可以用于检测环境和器件中的微弱信号。从此之后，越来越多的发达国家开始改善实验条件，研究人员们对锁相放大器有了很深的兴趣。他们开始对设计和功能进行研究和创新，最终很多性能优良的锁相放大器被研究出来。美国的SIGNAL RECOVERY公司陆续设计出 5109、5210型等用于模拟电路的锁相放大器。^[11]除此之外，该公司还涉猎数字信号技术，生产了如7220、7225、7265等一系列应用数字技术设计的放大器。针对不同功能和应用，它可以分为单相和双相，拥有从1MHz到250KHz不等的测量带宽。为了提高锁相放大器的精度以及稳定性，美国的SRS公司和日本的NF公司分别设计并生产了SR810上等产品和LI5630系列产品。在锁相放大器今后的发展道路上，这些研究和设计都提供了不少新的思路。

从上世纪70年代起，唐鸿宾教授开始了对锁相放大器原理和结构的研究^[12]。他开发的锁相放大器能够具有不同型号，并且分别实现不同的功能。在唐鸿宾教授的研究基础上，ND型锁相放大器成功地被国内的专家们研制出来。

2004年王小林、林凌等人提出新型锁相检测电路。从检测的实验中可以看出：新型锁相检测电路能够准确地检测非高频信号，并且具有结构易实现、节省处理器运算空间等优点。另外，肖寅东等人设计了带有前置滤波器的锁相放大器，抑制噪声效果得到了显著提高。2006年，郎健利用DSP的编程可实现的特点，设计了一款以此电路芯片为核心的锁相放大器，实现了性能的优化。

1.3 论文主体安排

本文设计出了一种基于锁相环AD630的锁定放大器，在分析和掌握锁相放大器的基础上，根据提取微弱信号的需求，设计了锁定放大器的各模块电路，最终通过放大信号、分离噪声、改善信噪比等步骤实现了基本要求。

1. ：首先介绍锁定放大器的研究背景以及研究目的，其次介绍锁定放大器在国内外的发展状况。
2. ：首先介绍了锁定放大器电路的工作原理，其次介绍了其在信号检测方面的使用方法。本系统利用的是AD630锁相环，并基于此锁相环设计出了锁定放大器的大致结构框图。从结构框图中，可以将系统分为相关器、信号通道以及参考通道，整个系统的核心部分是应用了AD630的相关器。
3. ：分模块给出锁定放大器的电路结构设计，先详细介绍了各个模块所采用的芯片，然后对系统的各个模块进行了分析，最后对仿真和实验能够实现的效果做出了预测。
4. ：系统各个模块软件仿真和实物测试的结果展示，通过对比实验所得到效果，验证本设计能否达到预期的设计。

2 系统工作原理及整体设计

2.1 基本原理

2.1.1锁相环AD630介绍

AD630可以能够根据外接电路和电路参数配置的不同从而实现不同的功能，是一款高精度平衡调制器。它主要运用信号在信道中的平衡调制和解调。本系统利用AD630出众的调制和解调性能进行电路设计^[13]。

AD630主要有以下几点特点：

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