论文总字数：16961字

目录

1 引言 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文主体安排 2

2 系统工作原理及整体设计 3

2.1 基本原理 3

2.1.1相敏检波器MPY634介绍 3

2.1.2调制解调原理 3

2.2 结构框图 4

2.3 本章小结 5

3 系统各模块设计 5

3.1 信号通道模块设计 5

3.1.1 交流放大器电路设计 5

3.1.2 带通滤波器电路设计 6

3.1.3 加法器电路设计 7

3.1.4 衰减网络设计 8

3.2 参考通道模块设计 8

3.2.1 触发整形电路设计 8

3.2.3 移相器电路设计 9

3.3 相关器模块设计 9

3.3.1 相敏检波器电路设计 9

3.3.2 低通滤波器电路设计 10

3.4 其他模块设计 10

3.4.1 MSP430以及显示电路 10

3.4.2 软件设计 11

3.5 本章小结 11

4系统各电路实验结果与分析 12

4.1 Multisim电路仿真软件简介 12

4.2 交流放大器仿真结果 12

4.3 带通滤波器制作与测试 14

4.4 参考通道的实验结果与分析 16

4.5 相敏检波器的实验结果与分析 18

4.6 系统硬件实物组装与测试 21

4.7 本章小结 23

5结论与展望 24

5.1 本文总结 24

5.2 研究展望 24

参考文献 25

致谢 26

基于相敏检波的锁定放大器的设计

沈健

摘要：本文介绍一种锁定放大器,用来实现在强噪声的干扰下，利用信号的频率准确测出其幅值的作用。该锁定放大器主要由信号通道、参考通道和相敏检波三个模块组成。其中信号通道的组成部分有交流放大器和带通滤波器，在信号输入端也可以增加加法器；参考通道由移相器、触发整形电路和方波驱动三个部分组成；该锁定放大器的核心元件是相敏检波，相敏检波采用MPY634乘法器，检波后由低通滤波器输出一个直流信号，经由显示电路在LCD1602上显示出某一特定频率的微弱信号幅值，显示电路由单片机和LCD1602液晶屏组成。实验证明，尽管存在误差，该锁定放大器仍然能够检测出在噪声干扰下微弱信号的幅值。

关键词：锁定放大器，强噪声，相敏检波，MPY634,显示电路

Design of locking amplifier based on phase-sensitive detection

Shen Jian

School of Electronic and Information Engineering, NUIST, Nanjing 21044, China

Abstract：

In this paper, a kind of locking amplifier is introduced to realize the function of the amplitude of the signal using the frequency of the signal. The locking amplifier consists of three modules: signal channel, reference channel and phase sensitive detection. The components of the signal channel include ac amplifier and bandpass filter, and the adder can be added at the signal input end. The reference channel consists of phase shifter, trigger shaping circuit and square wave drive. Is the core of the lock-in amplifier components phase sensitive detection and phase sensitive detection using MPY634 multiplier, after detection by low-pass filter output a dc signal, through on the LCD1602 display circuit shows a particular frequency weak signal amplitude, is composed of single-chip microcomputer and LCD1602 LCD display circuit. The experimental results show that, despite the error, the locking amplifier can detect the amplitude of weak signal under noise interference.

Keywords: Lock amplifier, strong noise, phase sensitive detection, MPY634, display circuit

1 引言

1.1课题研究的背景和意义

随着现代科学技术的不断进步和发展，信息广泛分布在生活中的各个领域，并在传感器的作用下转变为电信号。由于设备工作过程中产生的各式各样的噪声以及生产环境中的干扰会对信号产生影响，而这些噪声的幅度往往比有用信号大。在对信号进行放大的过程中，传统的放大器往往无法区分有用信号和噪声信号，使得噪声无法分离出去，越来越难以满足飞快发展的生产生活的需求。

锁定放大器作为一种功能特别的电压表，它可以测量被噪声覆盖掉的信号的幅度和相位。与普通的放大器的差异主要体现在，它在对信号进行放大的同时不会使噪声信号增加，甚至可以对噪声信号起到抑制作用，改善信噪比。因为它与被测信号的相位和频率关系相同，所以对与噪声同频、同相的分量以及信号本身会产生响应。

锁定放大器具备很多的长处：检测灵敏度高，对信号的分析运算简约快速，是一种有效的检测微弱信号的方法。相对于传统的放大器，它具有更稳定的频率、更高的品质因数以及相对窄的通频带，因此锁定放大器在物理、化学、激光、电子、生物医学等方面得到了广泛应用，越来越引起重视。它不仅充当检测器的角色，同时还起着窄带滤波器的作用。锁定放大器不仅可以恢复信号、对弱信号进行测量，还可以从噪声中分离有用信号，同时具备消除噪声和放大信号这两种功能，从而改善检测系统的性能。

锁定放大器具备十分强的抗噪声能力，它可以使系统的抗噪声性能提高很多个数量级，同时工作效率高和准确度高，可以有效防止中心频率的漂移。在科研领域广泛应用于激光信号探测、电阻的测量、光纤传感等方面。作为锁定放大器的核心部分，相关检测技术作为一种应用广泛的技术，能够运用相关性对信号检测并对信号提取，它可以滤除噪声，使带宽变窄，从而使噪声对目的信号的影响降到最低，方便将信号提取出来。

锁定放大器能够经过对信号的相位和特性的充分运用，达到对目标信号的相位有效的区分的目的，只有当目的信号与参考信号的噪声部分同频同相时，放大器才会产生响应，但这种概率很低，因此锁定放大器可以对噪进行有效控制声。与传统放大器相比较，它具有更高的稳定性和灵活性，正常范围可达到1mHZ，因而可以用来对很多微弱信号进行检测，并广泛引用于系统中。

1.2 国内外研究现状

锁定放大器自问世以来，也极大地推动了弱信号检测技术的进程，在许多范围得到了广泛的运用，对海洋、生物医学、物理、化学等领域起了重要的推动作用，在国内外受到广泛重视。随着近几年国家对无线通信的重视，锁定放大器的功能越来越多，精度也越来越高，许多指标已经达到国外同类产品技术指标，未来会与国际先进水平靠拢。

世界上第一台锁定放大器(Lock-in Amplifier，简称LIA)是由美国EGamp;G PARC公司于1962年制造，这一发明也是弱信号检测范围的一个重要播种，它推动了科学技术的进步和发展，对工程技术领域也起了很大的推动作用。LIA也由早期的由模拟电路实现逐步转变为由模数混合实现，这种锁定放大器通过对模拟锁定放大器进行D/A转换和A/D转换，可以完成计算机的监督、显示和管控等功能，同时可以采用数字滤波来降低噪声，但其PSD的实现方法仍然是模拟电子技术。除了模拟锁定放大器，数字锁定放大器具有的突出优点更加多，例如7220、7225、7280等，这些锁定放大器都是用数字技术实现的，它们的精度和稳定性能都比较高，越来越得到青睐。

唐鸿宾教授从二十世纪七十年代便开始对锁定放大器进行研究。他对该领域做出的贡献十分突出，研制出了功能多样、型号丰富的锁定放大器。为锁定放大器后续的研究以及之后ND型锁定放大器的成功打下了坚实基础。2004年，天津大学的王小林等人将检测信号和参考信号的乘积利用Σ-△型A/DC进行采样，提出了新型锁定检测电路。电子科技大学的肖寅东等人设计了具有前置滤波环节的锁定放大器，在减少噪声的基础上大大提高了信噪比。天津大学的郎健用DSP芯片作为锁定放大器的核心元件，设计出了DLIA，DLIA是一款由数字技术实现的锁定放大器，它的稳定性非常优越，数据处理速度快且性能高。

尽管国内的科学研究者在微弱信号的检测方面取得了许多成就，但距离国际先进水平仍然有很大差距，仍然需要不断深入虚心的钻研学习国外先进的理论，与国际先进水平保持一致。

1.3 论文主体安排

本文的课题是设计一个锁定放大器，该锁定放大器基于相敏检波。通过结合时域和频域的分析方法，设计出锁定放大器各个模块的电路，使其能够将信号从噪声中提取出来，在得到输出信号后，将其送入MSP430，由单片机进行AD转换，再由LCD显示出某一特定频率的幅值，从而达到对信号进行检测的作用，并对电路各个部分进行仿真和调试，从而达到良好的整体性能。

：首先说明了研讨锁定放大器这一课题的背景和意义，其次介绍了锁定放大器现阶段的国内外的研究现状。
：首先介绍了锁定放大器的一些基本原理，其次介绍了它的工作方式，这之后介绍了它的组成部分与结构框图。本系统的相关器模块是使用乘法器MPY634来实现的，并基于相敏检波器设计出了系统各个模块的框图，整体设计由参考通道、相敏检波和信号通道三个部分组成。其中相敏检波为系统的核心。
：对锁定放大器各个模块进行具体的电路分析，设计出每个部分的电路图，并详细介绍各个部分的功能、芯片选择和实现方法，最后对仿真后的电路参数作出预测。
：对上一章节设计的电路分别进行仿真和实物的组装，对整体进行调试和修改，使该锁定放大器的设计满足实验要求，分析整体的系统性能是否达到预期水平。

2 系统工作原理及整体设计

2.1 基本原理

2.1.1相敏检波器MPY634介绍

MPY634是一个宽带宽、高精度、四象限模拟倍增器。它精确的激光切变倍增器特性使它易于在各种各样的应用中使用最少的外部部件，经常消除所有外部的装饰。它的微分X、Y和Z输入允许配置作为一个倍增器、平方器、分配器、方根和其他功能，同时保持较高的精度。这个新设计的宽带宽允许信号处理IF, RF，和视频频率。与其他高频倍增器和平衡调制器电路相比，MPY634的内部输出放大器降低了设计的复杂性。它能够执行频率混合，平衡调制，解调和优秀的载波抑制。精确的内部电压参考提供了精确的比例因子设定。微分Z输入允许使用外部反馈电阻器从0.1到10的用户选择的尺度因子。图2.1所示为MPY634引脚图。