電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽0(共8頁(yè))

1、 鎖定(su dn)放大器（C題） 摘要(zhiyo)由于(yuy)輸入的信號(hào)S(t)十分微弱，信號(hào)被噪聲和干擾所淹沒(méi)，因此首先讓該信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲前置放大器進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)帶通濾波器將干擾和噪聲除去。再把這路信號(hào)送入相敏檢波器。由于S(t)的幅度有效值是10V1mV，相差很大，因此對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分量程放大。參考信號(hào)送入?yún)⒖纪ǖ篮?，先進(jìn)入觸發(fā)整形模塊產(chǎn)生與被檢測(cè)信號(hào)同頻率的方波，該模塊由放大電路與電壓比較器組成。產(chǎn)生的方波經(jīng)由FPGA做成的移相電路移相后進(jìn)入相敏檢波器。相敏檢波器（PSD）把從信號(hào)通道輸出的被測(cè)交流信號(hào)進(jìn)行相敏檢波轉(zhuǎn)換成直流，只有當(dāng)同頻同相時(shí)，輸出電流最大。并且可以通過(guò)低通濾波

2、器，其它頻率的分量因被轉(zhuǎn)換成頻率不為0的交流信號(hào)而被低通濾波器濾除。最終可以得到直流分量。顯示部分采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)整體測(cè)試，證明本項(xiàng)目完成了所有要求。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于鎖定放大器（LIA）的微弱信號(hào)檢測(cè)裝置，用來(lái)檢測(cè)在強(qiáng)噪聲背景下已知頻率的微弱正弦波信號(hào)的幅度值。該系統(tǒng)由純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、微弱信號(hào)檢測(cè)電路和顯示電路組成。其中純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)生成微小信號(hào)，微弱信號(hào)檢測(cè)電路和顯示電路完成微小信號(hào)的檢測(cè)和顯示。本系統(tǒng)是以相敏檢波器為核心，將參考信號(hào)衰減至10uV1mV的微弱信號(hào)分量程放大并通過(guò)帶通濾波器濾波，將參考信號(hào)觸發(fā)整形和經(jīng)FPGA做成的移相器移相信號(hào)后，再進(jìn)入由AD835構(gòu)成的相敏檢波器，最后通

3、過(guò)二階低通濾波器輸出直流信號(hào)來(lái)檢測(cè)出微弱信號(hào)，將該直流信號(hào)送入單片機(jī)處理后，顯示出來(lái)。經(jīng)最終的測(cè)試，本系統(tǒng)能較好地完成微小信號(hào)的檢測(cè)。關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)檢測(cè) 低噪聲前置分量程放大 FPGA 低通濾波器系統(tǒng)方案論證與比較移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)因?yàn)檩敵鲂盘?hào)與信號(hào)的相位差有關(guān)，所以必須加入移相網(wǎng)絡(luò)。移相是指兩種同頻的信號(hào)，以其中一路為參考，另一路相對(duì)于該參考做超前或滯后的移動(dòng)，即稱為相位的移動(dòng)。方案一：采用模擬移相法，模擬移相電路其實(shí)就是一個(gè)全通濾波電路，它的放大倍數(shù) Au=（-1+jwRC）/(1+jwRC) （1）寫成模和相角的形式為： |Au|=1, =180-2arctan（f/f0） （2）其中f0=

4、1/（2RC）。一階全通濾波器的移相范圍接近180度，所以通過(guò)設(shè)計(jì)兩級(jí)濾波則可使移相范圍達(dá)到360度。該方案優(yōu)點(diǎn)在于可以設(shè)定任意的相位。但不能數(shù)控，精度不高。方案二：采用數(shù)字移相方法，數(shù)字移相可以在0180的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，由單片機(jī)進(jìn)行相位預(yù)值，用FPGA來(lái)控制移向。方案二與方案一相比，相位步進(jìn)精確，且方案二設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。相比較之下選擇方案一。2觸發(fā)(chf)整形電路方案(fng n)一：采用三極管放大電路與電壓比較器，該電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(jigu)簡(jiǎn)單，且產(chǎn)生的矩形波上升沿比較陡，但由該電路產(chǎn)生的矩形波占空比不能達(dá)到50%，因此不能滿足與被檢測(cè)信號(hào)同頻同相的要求。方案二：采用運(yùn)算放大電路與電壓

5、比較器，該方案產(chǎn)生的矩形波頻率及相位與輸入信號(hào)完全相同，且得到的矩形波形也很理想。因此選擇方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3相敏檢波器電路方案一：采用FPGA，用FPGA采集兩路信號(hào)，然后用方案二：采用模擬乘法器，該方案是基于AD835芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的，AD835是乘法器芯片AD835的輸出噪聲典型值僅為HznV/50，保證了實(shí)驗(yàn)信號(hào)盡可能小的失真。另外，AD835需要的外圍電路非常少，配置相當(dāng)方便。其原理圖如圖1所示 圖1方案三：采用開(kāi)關(guān)乘法器，開(kāi)關(guān)乘法器動(dòng)態(tài)范圍大，線路簡(jiǎn)單，本質(zhì)其實(shí)就是對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間的相位進(jìn)行檢波，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同頻同相時(shí)，這時(shí)相敏檢波器相當(dāng)于全波整流，檢波的輸出最大。如圖2為開(kāi)關(guān)乘法器的基

6、本框圖。 圖2比較論證以上三種方案后，選擇方案二，對(duì)相敏檢波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。4系統(tǒng)(xtng)總體方案論證(lnzhng)鎖定(su dn)放大器是利用信號(hào)的相位特征：同頻且同相的可以通過(guò)，同頻不同相的則有一定的衰減作用的原理做成的。鎖定放大器主要由三部分組成：信號(hào)通道，參考通道，相關(guān)器。鎖定放大器最終的輸出是直流量，其實(shí)質(zhì)是微弱信號(hào)檢測(cè)。相關(guān)器是鎖定放大器核心，鎖定放大器主要靠相關(guān)器消除噪聲，相關(guān)器由一個(gè)模擬乘法器組成。鎖定放大器的輸出 Vo=vicos (3)是檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位角， 相敏檢測(cè)器檢相器是一個(gè)相位比較裝置，它把輸人信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的相位完全相同時(shí)，經(jīng)低通

7、濾波器后，輸出信號(hào)的直流分量達(dá)到最大。 信號(hào)通道 衰減調(diào)諧放大濾波電路組合放大電路 相關(guān)器 相敏檢波低噪聲前置放大Vs(t)+ni(t)含噪聲的信號(hào) 參考通道觸發(fā)移向驅(qū)動(dòng)VR(t)參考信號(hào) 圖3系統(tǒng)原理框圖 圖4 相關(guān)檢測(cè)電路二、理論分析與參數(shù)計(jì)算觸發(fā)整形電路觸發(fā)整形電路由一個(gè)運(yùn)放和一個(gè)電壓比較器組成,為了把輸入信號(hào)整成矩形波，需要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為100倍，穩(wěn)壓管采用4069系列。其穩(wěn)定電壓是5V，經(jīng)過(guò)電壓比較器過(guò)零比較，可以得到占空比為50%的矩形波 圖5 觸發(fā)(chf)整形電路 交流(jioli)放大器該交流放大(fngd)電路采用三級(jí)放大，第一級(jí)放大倍數(shù)為1000倍，第二級(jí)放

8、大倍數(shù)為10倍，第三級(jí)放大倍數(shù)是10倍，可以通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)切換放大倍數(shù)，以使輸出波形的幅度達(dá)到測(cè)試要求。 圖6 交流放大電路帶通濾波器該帶通濾波器采用的是巴特沃斯帶通濾波器 令C=C1=C202=1R2C2(1R1+1R3) (4)其截止頻率是 f=02= 12.2k0.11F211.2k+120k=917.3Hz Au=1+R5R4=2 （5） 圖7 帶通濾波器低通濾波器采用(ciyng)一階低通濾波器，該濾波器截止頻率是=1R3C1=11M1F=1Hz 圖8低通濾波器三、系統(tǒng)(xtng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析1帶通濾波器仿真(fn zhn)與分析帶通濾波器仿真波特圖如圖 從該波特圖可以看出該帶通濾波

9、器的fL=869.667Hz fH=962.631Hz題目要求通帶的3dB頻帶范圍是900Hz1100Hz，誤差小于20%，即允許的誤差fL=900Hz120% 即fL ：720Hz1080Hz ，fH=1100Hz120% 即fH ： 880Hz1320Hz 。以上仿真結(jié)果可看出fL ，fH 都在其各自的誤差范圍內(nèi)低通濾波器仿真與分析二階低通濾波器波特圖其截止頻率大約(dyu)是1Hz，與理論(lln)計(jì)算值很接近(jijn)，輸出信號(hào)很接近直流信號(hào)，因此其濾波效果很好。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試結(jié)果與分析當(dāng)時(shí)輸出直流有最大值，此時(shí)輸出信號(hào)為輸入信號(hào)幅值的倍,由于，被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)極性同步翻轉(zhuǎn)，被測(cè)信號(hào)

10、為正時(shí) ，被測(cè)信號(hào)為負(fù)時(shí)，這種情況類似于檢波器，低通濾波器LPF對(duì)檢波后的信號(hào)進(jìn)行濾波；時(shí)輸出為零； 被調(diào)制后的傳感器信號(hào)與參考信號(hào)是相干的，因此有固定的值，通過(guò)移相電路使，可獲得輸出為 ，可見(jiàn)輸出反映了輸入信號(hào)的幅值，正是被測(cè)信號(hào)。移相電路的作用就是使，因此移相器是鎖定放大器中不可或缺的部分四、單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)五、總結(jié)(zngji)本項(xiàng)目(xingm) 六、元器件清單(qngdn)七、參考文獻(xiàn)八、附錄相敏檢波器基本原理相移電路的功能是改變參考通道輸出方波的相位，在0180度內(nèi)可調(diào)。實(shí)際上完成了窄帶放大并檢波的功能然后相敏檢波器就能從被測(cè)信號(hào)中檢測(cè)出與輸入的參照矩形波頻率相同的分量。被測(cè)信號(hào)所包

11、含的各種信號(hào)分量中，只有與參照信號(hào)頻率相同的那個(gè)分量才能轉(zhuǎn)換成直流量，因此可以通過(guò)低通濾波器（LPF），將噪聲和干擾盡量排除，參考通道的信號(hào)與被檢測(cè)信號(hào)頻率相同。噪聲的屏蔽方波形成電路的作用是把相移器送來(lái)的波形變成同步的占空比嚴(yán)格為11的單位方波。（為了仰制偶次諧波必須占空比嚴(yán)格為11）。系統(tǒng)工作原理:信號(hào)通道把輸入的被測(cè)信 號(hào)選頻放大(初步濾除噪聲)后,輸給相敏檢波器的一端;參考通道在參考信號(hào)的觸發(fā)下,輸 出相位可調(diào)的、與輸入信號(hào)同頻的占空比11的方波;相敏檢波器比較兩路信號(hào)后輸出直流信號(hào);直流放大器經(jīng)低通濾波和進(jìn)一步放大后輸出直流信號(hào),其幅度與兩路輸入信號(hào)幅度和它們的相位差成比例。相敏檢波

12、器是相關(guān)檢測(cè)的核心部件,它決定了測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度以及弱信號(hào)檢測(cè)水平。它的作用有兩個(gè):一是抑制噪聲,二是實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦信號(hào)或調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行幅值和相位的檢測(cè)。 應(yīng)當(dāng)指出:相關(guān)檢測(cè)用于測(cè)量深埋于噪聲中的、微弱的頻域信號(hào),由于是基于頻域相干檢測(cè)原理,它處理的信號(hào),必須是某一頻率的周期函數(shù)。若原來(lái)的被測(cè)信號(hào)是緩變信號(hào),則首先必須調(diào)制成頻域信號(hào),才能進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)工作(gngzu)原理:信號(hào)(xnho)通道把輸入的被測(cè)信 號(hào)選頻放大(fngd)(初步濾除噪聲)后,輸給相敏檢波器的一端;參考通道在參考信號(hào)的觸發(fā)下,輸 出相位可調(diào)的、與輸入信號(hào)同頻的占空比11的方波;相敏檢波器比較兩路信號(hào)后輸出直流信號(hào);直

13、流放大器經(jīng)低通濾波和進(jìn)一步放大后輸出直流信號(hào),其幅度與兩路輸入信號(hào)幅度和它們的相位差成比例。相敏檢波器是相關(guān)檢測(cè)的核心部件,它決定了測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度以及弱信號(hào)檢測(cè)水平。它的作用有兩個(gè):一是抑制噪聲,二是實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦信號(hào)或調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行幅值和相位的檢測(cè)。 應(yīng)當(dāng)指出:相關(guān)檢測(cè)用于測(cè)量深埋于噪聲中的、微弱的頻域信號(hào),由于是基于頻域相干檢測(cè)原理,它處理的信號(hào),必須是某一頻率的周期函數(shù)。若原來(lái)的被測(cè)信號(hào)是緩變信號(hào),則首先必須調(diào)制成頻域信號(hào),才能進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)檢測(cè)采用模擬乘法器AD835作為信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)單元。AD835是一款電壓輸出型四象限帶寬高達(dá)基準(zhǔn)的使用，AD835的輸出噪聲典型值僅為HznV/50，保證了實(shí)驗(yàn)信號(hào)盡可能小的失真。另外，AD835需要的外圍電路非常少，配置相當(dāng)方便。 圖35的基本連接 如圖3，X、Y、Z為信號(hào)輸入端，為信號(hào)輸出端，W和Z之間的電阻網(wǎng)絡(luò)起微調(diào)電路增益的作用。輸出和輸入之間的關(guān)系2.AD8W為1ZXY W+= ，)1(U k?。本實(shí)驗(yàn)中1Z其