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。本設計通過電阻衰減網(wǎng)絡和加法器實現(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TS5A3159構造的開關乘法器，相干波經(jīng)由LM358構造的模擬移相電路與信號相乘,輸出信號經(jīng)由OP07構造的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，達到設計要求。關鍵字：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)過同結構純電阻網(wǎng)絡分壓，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)整形生成驅動方波進入相敏檢波器處理。相敏檢波器利用模擬開關實現(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，得到對應微弱信號的有效值，并將其顯示在屏幕上。總體設計框圖如圖1所示。Noise純電阻分壓網(wǎng)絡Signal交流放大及帶通濾波純電阻分壓網(wǎng)絡低通濾波及直流放大移相器觸發(fā)整形PSD圖1總體設計

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式乘法器，此處采用開關式乘法器。相敏檢波器(PSD)的本質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，可以利用電子開關實現(xiàn)方波信號的相乘過程，即當為+1時，電子開關的輸出連接到；當為-1時，電子開關的輸出連接到，這時LPF的輸出為u

6、(t)=2scos0o兀當經(jīng)過開關乘法器，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構簡單、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.電路與程序設計3.1電阻衰減網(wǎng)絡噪聲衰減網(wǎng)絡采用固定的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的IN（6號引腳）端驅動PSD,信號接入

11、PSD.Sig，如圖9所示。圖9PSD3.6低通濾波器借助FilterSolutions設計2階巴特沃斯低通濾波器如圖10,其頻率響應如圖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3.7直流放大器為了使MSP430的ADC輸入電壓為最合適范圍，設置直流放大器的輸出電壓范圍為23V，輸出與輸入的關系為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采樣與顯示電路設計本系統(tǒng)的AD采樣和顯示電路使用MSP430開發(fā)板，內部自帶的AD轉換。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.測量結果實際測量結果如表所示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3三倍干擾測量結果5.結論本設計為鎖定放大器，較好地實現(xiàn)了強噪聲背景下微弱信號幅度的檢測。設計過程中，主要針對微弱信號檢測方法中的相敏檢波技術進行了研究。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，我們學會了PCB布線優(yōu)化、腐蝕制作PCB板，也熟悉了MSP430F5529的編程，熟