鎖定放大器 (TI杯獲獎作品)

1、鎖定放大器摘要：本系統(tǒng)是基于相敏檢波(PSD)技術(shù)和TI模擬器件的鎖定放大器(LIA),用于檢測高噪聲環(huán)境下的V級信號。本設(shè)計通過電阻衰減網(wǎng)絡(luò)和加法器實現(xiàn)強噪聲干擾待測微弱信號的模擬，微弱信號通過前級INA33和OP27適度放大后進入由OP07構(gòu)造的8階帶通濾波器,濾波器輸出信號輸入后級的相敏檢波器,相敏檢波器是由模擬開關(guān)TS5A3159構(gòu)造的開關(guān)乘法器，相干波經(jīng)由LM358構(gòu)造的模擬移相電路與信號相乘,輸出信號經(jīng)由OP07構(gòu)造的2階低通濾波得到直流分量,再經(jīng)過直流放大器后送入MSP430單片機處理，計算后將結(jié)果顯示在TFT彩屏上。經(jīng)測試，本系統(tǒng)可準確地測出信號有效值，達到設(shè)計要求。關(guān)鍵字：鎖

2、定放大器微弱信號相敏檢波器1.方案選擇與論證方案選擇與論證方案一：采用兩路正交的同步相干解調(diào)電路實現(xiàn)相敏檢波，這樣無需考慮相干波的相位是否與輸入被測信號同相即可檢測，但是兩路相干波相位必須嚴格滿足90相位差，有一定的實現(xiàn)難度。方案二：采用可連續(xù)移相的移相電路與單路相敏檢波器的實現(xiàn)方案，連續(xù)移相使得相敏檢波器可以準確調(diào)節(jié)相干波與信號同相，從而測出正確的信號大小。綜上方案，選取方案二作為基本方案。總體設(shè)計思想?yún)⒖夹盘朣ignal輸入后分兩路，一路進入信號通道，一路送參考通道。Signal在信號通道中經(jīng)衰減獲得待測微弱信號，送加法器與干擾疊加；且干擾信號Noise也經(jīng)過同結(jié)構(gòu)純電阻網(wǎng)絡(luò)分壓，疊加了干

3、擾的微弱信號經(jīng)兩階帶通濾波器濾波后送相敏檢波器處理。系統(tǒng)中是否引入干擾、干擾倍數(shù)可由跳線帽控制，同時與之對應(yīng)的交流放大倍數(shù)和直流放大電路由單片機MSP430控制繼電器選擇。信號Signal在參考通道中先經(jīng)過移相電路移相，使得與信號通道末的微弱信號相位一致，經(jīng)觸發(fā)整形生成驅(qū)動方波進入相敏檢波器處理。相敏檢波器利用模擬開關(guān)實現(xiàn)檢波，輸出信號經(jīng)2階低通濾波和直流放大器得到直流分量。由單片機對直流電壓進行計算、處理，得到對應(yīng)微弱信號的有效值，并將其顯示在屏幕上?？傮w設(shè)計框圖如圖1所示。Noise純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)Signal交流放大及帶通濾波純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)低通濾波及直流放大移相器觸發(fā)整形PSD圖1總體設(shè)計

4、框圖MSP430計算、處理TFT彩屏顯示2.理論分析與計算相敏檢波器相敏檢波器分為模擬乘法器和開關(guān)式乘法器，此處采用開關(guān)式乘法器。相敏檢波器(PSD)的本質(zhì)其實就是對兩個信號之間的相位進行檢波，當兩個信號同頻同相時，這時相敏檢波器相當于全波整流，檢波的輸出最大，亦可在相位相反時進行檢波，電路略有不同，本設(shè)計采用反相。圖2為相敏檢波器的基本框圖。圖2PSD基本框圖PSD工作過程如下:設(shè)輸入信號。參考輸時幅度為的方波，其周期為T,角頻率為，根據(jù)傅里葉分析的方法，這種周期性函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)r(t)=a+藝acosm3t+藝bsin3tTOC o 1-5 h z0m0m0m=1m=1可得r(t

5、)的傅里葉級數(shù)表示式為4V護(1)n+1r(t)=亠2cos(2n一1)3t HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 兀2n10n=1u(t)=x(t)gr(t)=p2V_2(-1)n+1cos(2n2)3t9+BI2一cos(2n3t+9)兀2n1o兀2n1on=1n=1ss上式右邊第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過LPF的濾波作用的差頻項及所有的和頻項均被濾除，只剩的差頻項為2VVu(t)=cos9p兀當方波幅度時，可以利用電子開關(guān)實現(xiàn)方波信號的相乘過程，即當為+1時，電子開關(guān)的輸出連接到；當為-1時，電子開關(guān)的輸出連接到，這時LPF的輸出為u

6、(t)=2scos0o兀當經(jīng)過開關(guān)乘法器，角度之差為0時，輸出信號最大。帶通濾波器由題意，本題需要設(shè)計中心頻率=1000Hz，3dB頻帶范圍為900Hz1100Hz的帶通濾波器。利用TIFilterPro軟件輔助設(shè)計多反饋型8階切比雪夫0.1dB帶通濾波器，幅頻、相頻特性如圖3。le5le6ActualGain(dB)/ActualPtiase(deglLe2Le3IKFrequency(Hz)圖3幅頻、相頻特性移相器如圖4所示，移相電路核心部分由電阻電容構(gòu)成差分輸出，可計算出其傳遞函數(shù)為：觀察幅頻特性，對其取模，可知：其中，可見，圖示移相電路具有結(jié)構(gòu)簡單、無額外增益、穩(wěn)定性好的特點，且可以實

7、現(xiàn)0到180相移。Rlb.fVA-3.3k-12V1；1Br.NI358AJG7Rib100k-12VRlb.gfWr-ff1OOnF圖4移相器3.電路與程序設(shè)計3.1電阻衰減網(wǎng)絡(luò)噪聲衰減網(wǎng)絡(luò)采用固定的600倍，信號分為三檔衰減，分別為6,000倍60,000倍和600,000倍，衰減電路均采用直接電阻衰減，如圖5。信號衰減：4.衰堿1呱OODb.1/60,000我或h刼山0皿sGNDIN.iijcieeI320k陳聲哀減：1可INaiu1COAX-FL卞SijitLiHPhaled眩Ji|曲卜0TPsignal$1吐P.盟護dHtadeiJX2圖5衰減網(wǎng)絡(luò)加法器及交流放大器如圖6，加法器通過

8、交流放大器第一級實現(xiàn)，當需要與噪聲做加法時，INA333的負端輸入不接地，改為接噪聲，第一級的放大倍數(shù)為30倍。第二級放大通過MSP430控制器放大倍數(shù)為20、200或2000倍實現(xiàn)分檔，以對應(yīng)不同電壓級別的微弱信號。LkOUTb-R2flby比500rrirR2fla-A.161TP.outJ!lir.hbRnlb6_t-H曲gJTPculltGXDKI.GIjP*dd吉1.AftXlO17V曲ID2./StXlWVA-3./ft人2Pi)oovrv311KAx3DV/VHmH時3GNDRGEGW.V*N+OVTV-REFINA333圖6加法器和交流放大器3.5移相器如圖7，未經(jīng)衰減的信號經(jīng)

9、過由LM358構(gòu)造的兩級移相器進入比較器輸出的方波進入后級PSD。56:IALM35SAJGr邸山r1004:吉RUf-Wu-33k-12V+12VCT嚴TPcoifLsndQW,侶刖FilterCircuitTapcloy:MinGBW繪qd”：1.0477kHz7.049l33.462HzChtby&hevMultipleFdbatk749.1792kHz822324kHzMinGBWreqdjFittvfStage:PassbindGainuAol:C*t#rFrequencyCfol:CkidlityFactor(Q):PassbandBW.用WhFilterResponne:Circ

10、uitTcp&logy：MinGEWeqci.:893.566-r19.04746.935Hz匚hebYhevR/lukipleFeedback1.7328MHzFilterStage:PdssbandGainfAol:CenterFrecuentyIfokQuilHyFactor(Q):PassbandBW.IBVn：Filte-RecpQrse:CircuitTopoo勺yiMinGBWieqd.:1.1186kHz19.0475B.727HzCheby&heveFpedbatk2.106FvlHz圖8帶通濾波器相敏檢波器移相器輸出的方波接入模擬開關(guān)的IN（6號引腳）端驅(qū)動PSD,信號接入

11、PSD.Sig，如圖9所示。圖9PSD3.6低通濾波器借助FilterSolutions設(shè)計2階巴特沃斯低通濾波器如圖10,其頻率響應(yīng)如圖11,PSD的信號經(jīng)過低通后只留下了直流部分。圖10低通濾波器ContinuousFrequencyResponseTueJan12l3:5420l630m23457391023456709234Sfi73910mIDOm12ndordflrLxwPGButishvoimFnequemcy(Hz)圖11低通濾波器頻率響應(yīng)3.7直流放大器為了使MSP430的ADC輸入電壓為最合適范圍，設(shè)置直流放大器的輸出電壓范圍為23V，輸出與輸入的關(guān)系為Vout=4.1*V

12、in+0.8，直流放大器電圖12直流放大器TFT液晶控制信3.8采樣與顯示電路設(shè)計本系統(tǒng)的AD采樣和顯示電路使用MSP430開發(fā)板，內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換。顯示模塊為TFT彩屏，具有高清分辨率，支持SPI使得其具有很快的速度且占用的IO資源少。電TexasInstrumentsMSP-EXP430F5529LPLaunchpad4.測量結(jié)果實際測量結(jié)果如表所示4.1無干擾情況理論值(mV)10.80.50.20.10.080.050.020.01實測值(mV)1.023540.812110.523720.188590.091040.081790.0487640.020030.00970表1無干擾測

13、量結(jié)果一倍干擾情況理論值(mV)10.80.50.20.10.080.050.020.01實測值(mV)1.022410.802100.493650.185960.101040.079730.0536640020130.01528表2一倍干擾測量結(jié)果十倍干擾情況理論值(mV)10.80.50.20.10.080.050.020.01實測值(mV)0.987480.792170.513850.195960.102310.072760.053600.019270.00922表3三倍干擾測量結(jié)果5.結(jié)論本設(shè)計為鎖定放大器，較好地實現(xiàn)了強噪聲背景下微弱信號幅度的檢測。設(shè)計過程中，主要針對微弱信號檢測方法中的相敏檢波技術(shù)進行了研究。該作品主要基于德州儀器公司模擬器件實現(xiàn)，對噪聲源放大后與正弦干擾信號的疊加、衰減、濾波、檢波，最后AD采樣處理并顯示，構(gòu)成一套完整的鎖定放大系統(tǒng)。將整個題目完整地做下來后，我們每個人都受益匪淺。準備過程中，我們學(xué)會了PCB布線優(yōu)化、腐蝕制作PCB板，也熟悉了MSP430F5529的編程，熟