1、微弱信號(hào)檢測(cè)裝置（B題） 2014年520電子設(shè)計(jì)大賽參賽選手：朱志煒，周楊燦，朱杏偉指導(dǎo)老師：姜乃卓摘要：本微弱信號(hào)檢測(cè)裝置信號(hào)通道由OPA228為前置放大器，AD707和OP27為主放大器，將微弱小信號(hào)放大，然后經(jīng)過后級(jí)的帶通濾波器以及GIC濾波器對(duì)放大后信號(hào)進(jìn)行濾波，進(jìn)一步減小噪聲的影響；參考通道以LM353為方波發(fā)生器，將正弦波化為同頻率相位可調(diào)的方波，接以CD4046鎖相環(huán)和D觸發(fā)器，輸出0-270°四個(gè)不同相位的方波；信號(hào)通道和參考通道的信號(hào)會(huì)在相關(guān)器器中相乘，并把得到的半波積分為直流電平，最終通過ICL7107接數(shù)碼管顯示電平值，并可以調(diào)為顯示微小信號(hào)的值。測(cè)試數(shù)據(jù)表明

2、本設(shè)計(jì)具有非常高的準(zhǔn)確度和極其強(qiáng)大的噪聲抑制能力，工作性能穩(wěn)定，成本低廉，控制方便，是一個(gè)優(yōu)越而實(shí)用的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵字：微弱信號(hào)；相關(guān)檢測(cè)；噪聲抑制；鎖相放大器 目錄一、設(shè)計(jì)目標(biāo) 1、基本要求 2、發(fā)揮部分二、系統(tǒng)方案 方案一 方案二三、系統(tǒng)總體框圖四、理論分析與計(jì)算 1、前置放大器的噪聲分析 2、信號(hào)通道的增益計(jì)算 3、相關(guān)器的理論分析及計(jì)算 4、鎖相環(huán)路的分析計(jì)算 5、移相電路的分析計(jì)算五、電路設(shè)計(jì) 1、信號(hào)通道設(shè)計(jì) 2、參考通道設(shè)計(jì) 3、相關(guān)器設(shè)計(jì) 4、顯示電路設(shè)計(jì)六、測(cè)試情況 1、測(cè)試儀器 2、衰減電路測(cè)試數(shù)據(jù) 3、放大器測(cè)試數(shù)據(jù) 4、帶通濾波器及GIC濾波器測(cè)試結(jié)果七、總結(jié)八、參考文

3、獻(xiàn)一、設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)微弱信號(hào)的檢測(cè)裝置1、基本要求：（1）設(shè)計(jì)和制作兩個(gè)電壓衰減器，要求衰減量分別為20dB和40dB。要求：衰減器的輸入阻抗為50，衰減器的輸出阻抗為100。衰減器的輸入信號(hào)頻率范圍為100Hz-10KHz。（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)已知頻率的微弱正弦輸入信號(hào)幅度檢測(cè)，要求：微弱正弦信號(hào)輸入頻率范圍為100Hz-10KHz，幅度有效值范圍為100uV-500uV，微弱正弦信號(hào)幅度有效值檢測(cè)誤差不超過10%。（3）檢測(cè)的幅度有效值顯示在數(shù)碼管或者液晶顯示屏上，要求顯示精度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后面1位，顯示時(shí)間不超過1分鐘。（4）設(shè)計(jì)一個(gè)白噪聲和衰減后的輸入正弦信號(hào)相疊加的加法電路，輸入信號(hào)疊加白噪聲

4、后的信噪比在-20dB-0dB范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。信噪比定義：，正弦信號(hào)功率為： 其中表示正弦信號(hào)的有效值。 白噪聲信號(hào)功率為： 其中表示白噪聲信號(hào)的有效值。表示加法電路的輸入阻抗。（5）當(dāng)微弱正弦信號(hào)輸入信號(hào)的幅度有效值為1mV-5mV，信噪比在-20dB時(shí)，要求對(duì)輸入微弱正弦信號(hào)幅度有效值檢測(cè)誤差不超過10%。2、發(fā)揮部分：（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)固定頻率的微弱正弦輸入信號(hào)幅度檢測(cè)，要求：微弱正弦信號(hào)輸入頻率分別為1KHz，5KHz，10KHz時(shí)，幅度有效值范圍為10uV-50uV時(shí)，微弱正弦信號(hào)幅度有效值檢測(cè)誤差不超過10%。（2）當(dāng)微弱正弦信號(hào)輸入信號(hào)的幅度有效值為100uV-500uV，信噪比在-2

5、0dB時(shí)，要求對(duì)輸入微弱正弦信號(hào)幅度有效值檢測(cè)誤差不超過10%。二、系統(tǒng)方案對(duì)于參考通道和相關(guān)器部分，擬采用題目所介紹使用的CD4046和CD4066兩款芯片來做，對(duì)于信號(hào)通道，有不同的可采用方案。方案一：采用AD707超低噪聲運(yùn)放作為衰減電路的芯片，接以AD8429低噪聲運(yùn)放作為前置放大器，然后用AD707和OP27作為主放大器，放大后的信號(hào)經(jīng)過OP07組成的帶通濾波器濾波后輸出給相關(guān)器。方案二：采用OPA227超低噪聲運(yùn)放作為衰減電路的芯片，接以O(shè)PA228低噪聲運(yùn)放作為前置放大器，然后只要用OPA228作為主放大器，放大后的信號(hào)經(jīng)過LF353組成的帶通濾波器濾波后輸出給相關(guān)器。比較AD7

6、07和OPA227的參數(shù)：AD707：0.3V/s擺率，0.9MHz閉環(huán)帶寬，0.1V/C最大失調(diào)電壓漂移，穩(wěn)定時(shí)間10us,9.6nV/Hz噪聲OPA227：2.3V/us擺率，8MHz增益帶寬，3nV/Hz噪聲，穩(wěn)定時(shí)間5us比較OP07和LF353的參數(shù)：OP07：超低偏移： 150V最大。 低輸入偏置電流： 1.8nA 。低失調(diào)電壓漂移： 0.5V/ 。 超穩(wěn)定，時(shí)間： 2V/month最大高電源電壓范圍： ±3V至±22V；LF353：典型增益帶寬積3MHz，典型電壓增益，100dB典型輸入噪聲電壓密度18nV/rtHz。可以看出OPA227相比于AD707具有更

7、低的噪聲，更小的壓擺率，而且穩(wěn)定時(shí)間更短，故OPA227來做衰減器和前置放大器會(huì)比較好；而LF353的增益帶寬積也高于OP07，即用LF353來做濾波器相比于OP07要更加穩(wěn)定。故信號(hào)通道選擇的是方案二。三、系統(tǒng)總體框圖四、理論分析和計(jì)算1.前置放大器的噪聲分析信號(hào)通道中最重要的部分就是低噪聲前置放大器，因?yàn)檫M(jìn)來的信號(hào)很微弱，只有uv量級(jí)，任何微弱的噪聲混入后經(jīng)過放大都會(huì)對(duì)后級(jí)的檢測(cè)電路帶來麻煩。噪聲干擾主要分為兩種，一種是周圍環(huán)境中的各種噪聲，特別是50HZ的工頻干擾；另一種是電路內(nèi)部器件本身的噪聲，這些都會(huì)被引入電路。為了抑制這些噪聲的進(jìn)入，首先要選取低噪聲的運(yùn)放芯片，這個(gè)選擇尤為重要，放

8、大器采用了差分式放大結(jié)構(gòu)，并且采取了反相放大器，因?yàn)榉聪喾糯笃鞯妮斎胱杩剐。啾雀咻斎胱杩沟耐喾糯笃鳎聪喾糯笃鞯臒嵩肼暩　Ｆ浯斡捎趯?shí)驗(yàn)室提供的直流電壓源其實(shí)是由交流電整形而來的，肯定會(huì)有文波，紋波對(duì)電路的穩(wěn)定性，低噪性會(huì)有一定影響，故而最好加上直流穩(wěn)壓器。另外電路中發(fā)生高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)候會(huì)有一個(gè)很大的脈沖信號(hào)，電路的這個(gè)狀態(tài)會(huì)對(duì)直流電壓源產(chǎn)生影響，使之產(chǎn)生波動(dòng)，故而需要加入電容去耦合電路。電容去耦對(duì)低噪聲前置放大器極為重要，忽略這一步會(huì)使得放大后的波形嚴(yán)重惡化。一般來說電容去耦在離直流電壓源很近的地方并聯(lián)一個(gè)小電容，遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方并聯(lián)一個(gè)大電容，這個(gè)大電容也可以作為各部分電路公用的去耦電容。

9、2.信號(hào)通道的增益計(jì)算衰減器兩級(jí)衰減分別衰減20dB和40dB，將信號(hào)衰減1000倍，然后低噪聲前置放大器有固定30倍的放大，主放大器擁有0-50倍的可調(diào)放大倍數(shù)，接著帶通濾波器有2.7倍的放大，GIC濾波器有3.5倍的信號(hào)放大，所以信號(hào)通道的放大倍數(shù)為80倍至4000倍，增益為72dB。3.相關(guān)器的理論分析計(jì)算假設(shè)輸入信號(hào)是： （3-1）本地信號(hào)為： （3-2）將這兩組信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，設(shè)計(jì)框圖如圖2-1所示： 圖1 互相關(guān)檢測(cè)框圖將3-1式和3-2式帶入相關(guān)檢測(cè)器，利用式，得到互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算為 （3-3）以上推導(dǎo)可以看出：互相關(guān)接收只有信號(hào)與本地信號(hào)的相關(guān)輸出，去掉了噪聲項(xiàng)，這就是互相關(guān)檢

10、測(cè)能夠消除噪聲的核心推導(dǎo)公式。需要注意的是互相關(guān)接收要求本地信號(hào)與接收信號(hào)的重復(fù)周期嚴(yán)格一致，如果頻率不等，相關(guān)后的結(jié)果將出現(xiàn)起伏信號(hào)，平均值將下降，嚴(yán)重時(shí)候可能為零。因此完成電路的互相關(guān)運(yùn)算需要一個(gè)乘法器和一個(gè)積分器。理論上一個(gè)模擬乘法器和一個(gè)積分時(shí)間無限長的積分器可以從任意大的噪聲中恢復(fù)出微弱信號(hào)。相關(guān)器簡單的原理圖如下2： 圖 2 相關(guān)器原理圖設(shè)被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)在乘法器中相乘，為乘法器的輸出信號(hào)，也即積分器的輸入信號(hào)。為積分器的輸出信號(hào)，也就是相關(guān)器的最終輸出。這里我們不采用模擬乘法器，而是采用動(dòng)態(tài)性能好，電路更為簡單的開關(guān)式乘法器。因此參考通道不是輸入與待測(cè)信號(hào)同頻的正弦波，而是基波

11、分量與待測(cè)信號(hào)同頻的方波信號(hào)。雖然方波信號(hào)包含了非常豐富的諧波分量，但是待測(cè)信號(hào)中沒有與之同頻的分量，所以諧波分量做相關(guān)后還是為0，在相關(guān)器中起作用的還是方波中的基波分量。參考信號(hào)為對(duì)稱方波輸入： （3-4）設(shè)被測(cè)輸入信號(hào)為： （3-5）當(dāng)輸入信號(hào)頻率與參考信號(hào)頻率的基波相等（），且滿足時(shí)，經(jīng)過推導(dǎo)化簡，我們有相關(guān)器的輸出： （3-6）進(jìn)而得到以下結(jié)論：1.時(shí)間常數(shù)，為積分器的時(shí)間常數(shù)，由電容和電阻決定。理論上積分時(shí)間越長越好。2.當(dāng)測(cè)試時(shí)間時(shí),，得到穩(wěn)態(tài)解： （3-7）由此可知，相關(guān)器輸出為直流電壓，式2-10為我們找到了輸入信號(hào)幅度與輸出直流電平的線性關(guān)系，這也正是整個(gè)設(shè)計(jì)最根本的依據(jù)。輸

12、出直流電壓其值正比于輸入信號(hào)基波振幅，并與信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差的余弦成正比；為近似積分器的直流放大倍數(shù)；負(fù)號(hào)表示反相輸出，而為乘法器輸出直流分量的系數(shù)。當(dāng)然為了讓相關(guān)器正常工作，還需要預(yù)先放大輸入信號(hào)到其能夠推動(dòng)相關(guān)器工作的電壓幅度。由式3-7可知，為了得到最大的直流輸出，便于檢測(cè)，必須使得參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)相位差為0度或者180度，這樣其余弦絕對(duì)值最大為1。這也是參考信道移相網(wǎng)絡(luò)的直接目的調(diào)整參考方波相位使之與輸入待測(cè)信號(hào)同相。由3-7式可見如果相位差為90度，不管輸入信號(hào)幅度多大，最后的直流輸出都是0，這是電路最不希望的情況。考察相關(guān)器的幅頻特性曲線，實(shí)際使用中參考方波的頻率和輸入信

13、號(hào)頻率總會(huì)有一個(gè)微小的偏差，這時(shí)候經(jīng)過推導(dǎo)3，整個(gè)相關(guān)器的幅頻特性曲線如下圖，這是一個(gè)梳狀濾波器。 圖3 相關(guān)器的幅頻特性曲線由圖3可知相關(guān)器傳輸函數(shù)的幅頻特性是以輸入信號(hào)頻率為參考的梳狀濾波器。濾波器的通帶中心在各個(gè)奇次諧波處。它只讓對(duì)稱方波中具有的奇次諧波通過，抑制了其他分量的噪聲和干擾。由于實(shí)際使用中除了基波分量是信號(hào)輸入外，其它各個(gè)奇次諧波分量只有噪聲里面有且幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基波，所以高次的奇次諧波不會(huì)對(duì)基波信號(hào)檢測(cè)帶來影響4。 通過以上推導(dǎo)可知，輸出直流電壓與輸入正弦信號(hào)幅度存在線性關(guān)系，這也正是本設(shè)計(jì)最根本的依據(jù)。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是低頻信號(hào)，實(shí)際生產(chǎn)生活中需要檢測(cè)的也大都是低頻信號(hào)，本

14、設(shè)計(jì)有效的工作頻帶為100HZ10KHZ。如果輸入幅度已知的測(cè)試信號(hào)，根據(jù)輸出直流電壓大小，就可以測(cè)出整個(gè)電路的放大倍數(shù)4.鎖相環(huán)路的分析計(jì)算5.移相電路的分析計(jì)算五、電路設(shè)計(jì)1.信號(hào)通道的設(shè)計(jì)（1）衰減器由于題目要求衰減網(wǎng)絡(luò)衰減20dB和40dB，即衰減1000倍，為了提高精度，降低電路難度，一般使用兩級(jí)衰減，分別衰減10倍和100倍。型衰減電路的原理圖如下： 圖4-3 型衰減電路的原理圖其推導(dǎo)公式如下： (4-2) 其中RI 為輸入電阻，RO 為輸出電阻，UI 為輸入電壓，UO 為輸出電壓本設(shè)計(jì)采用型衰減網(wǎng)絡(luò)，它的輸入電阻為50，用以匹配信號(hào)發(fā)生器的50輸出電阻，衰減其實(shí)是通過20K的滑變

15、和110的電阻串聯(lián)分壓而成的，衰減后的信號(hào)經(jīng)過一個(gè)跟隨器進(jìn)入下一級(jí)衰減。由于信號(hào)通道都是極微弱的信號(hào)，所以任何噪聲的引入都會(huì)產(chǎn)生很壞的影響，所以對(duì)運(yùn)放的噪聲特性要求很高。這里用于跟隨器的運(yùn)放采用超低噪聲運(yùn)放OPA227，它的輸入噪聲電壓在頻率f = 1 kHz時(shí)候只有3nV/ÖHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于檢測(cè)信號(hào)的uv級(jí)別，因此造成誤差很低。其輸入失調(diào)電壓也只有5uv。衰減網(wǎng)絡(luò)電路圖：仿真圖：可以看出輸出為輸入的千分之一。（2）加法器衰減后的微弱信號(hào)在加法器中與噪聲相加，用以模擬實(shí)際情況。在檢測(cè)電路時(shí)可以先不加入噪聲，用以調(diào)節(jié)相位。簡單的加法器電路如下5。 圖3 加法器電路圖 加法器的簡單推導(dǎo)如下

16、，假設(shè)輸入信號(hào)分別為V1，V2，輸出信號(hào)為V0，則有公式： -V0=V1+V2 可見如果有 則有 -V0=V1 + V2 也即實(shí)現(xiàn)了加法，前面的負(fù)號(hào)表示輸入與輸出反相。（3）放大器3.1.低噪聲前置放大器信號(hào)通道中最重要的部分就是低噪聲前置放大器，因?yàn)檫M(jìn)來的信號(hào)很微弱，只有uv量級(jí)，任何微弱的噪聲混入后經(jīng)過放大都會(huì)對(duì)后級(jí)的檢測(cè)電路帶來麻煩。噪聲干擾主要分為兩種，一種是周圍環(huán)境中的各種噪聲，特別是50HZ的工頻干擾；另一種是電路內(nèi)部器件本身的噪聲，這些都會(huì)被引入電路。為了抑制這些噪聲的進(jìn)入，首先要選取低噪聲的運(yùn)放芯片，這個(gè)選擇尤為重要，放大器采用了差分式放大結(jié)構(gòu)，并且采取了反相放大。 綜合以上考

17、慮，我們選擇了OPA228作為前置放大器的芯片，實(shí)驗(yàn)電路選取了OPA228資料中的測(cè)試電路圖，實(shí)踐連接發(fā)現(xiàn)不僅在100Hz-10kHz內(nèi)幾乎增益沒有變化，而且噪聲非常小，電路圖如下：并改變一個(gè)電阻，換為固定的60k，即實(shí)現(xiàn)了前級(jí)30倍的固定放大。3.2.主放大器單由前置放大器放大倍數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以還需要后級(jí)的繼續(xù)放大。后級(jí)的放大電路分為兩級(jí)，第一級(jí)為固定的十倍放大，第二級(jí)放大倍數(shù)可調(diào)，最小六倍放大。這樣整個(gè)放大模塊可以得到一千倍到十萬倍（其實(shí)范圍會(huì)更大，只是不需要）的放大，其放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)非常方便，不管是前置放大器還是主放大器的第二級(jí)電路，都有增益調(diào)節(jié)電阻。主放大器電路圖如下: 圖4 主放

18、大器電路圖放大倍數(shù)推導(dǎo)公式如下; 由公式可知整個(gè)主放大器是由兩級(jí)放大組成的，前一級(jí)放大倍數(shù)為 也即第一級(jí)為固定的10倍放大，第二級(jí)與第一級(jí)一樣，只是由于電阻是可變的，所以第二級(jí)放大倍數(shù)是可調(diào)的，最小6倍放大，最大理論上可以達(dá)到無窮大，實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)然不需要這么大的放大倍數(shù)，只需知道其放大倍數(shù)滿足使用要求即可。放大器有兩種接法：同相輸入接法與反相輸入接法。兩者的差別除了輸出與輸入相位相反，放大倍數(shù)計(jì)算方法不同外，輸入電阻也是不同的。對(duì)于同相放大器，其輸入電阻同放大器本身相近，數(shù)值較大；對(duì)于反相放大器來說，其輸入電阻大小主要由R1（如圖所示）來決定，數(shù)值可大可小。電路的輸入電阻引起的熱噪聲電壓的均方

19、根電壓滿足下面的關(guān)系7： 其中B為噪聲電壓帶寬，T是絕對(duì)溫度，K是波爾茨曼常數(shù)。可見輸入電阻越大，所產(chǎn)生的熱噪聲電壓也越大，對(duì)降低電路的輸入噪聲是不利的。其次空間中存在有50Hz的共模噪聲信號(hào)，可以等效為在放大器輸入端接入一個(gè)內(nèi)阻無窮大的50HZ噪聲源，所以減小放大器的輸入電阻可有效減小輸入到前置放大器電路中的50Hz噪聲干擾。提供輸入信號(hào)的傳感器或者信號(hào)源有一定的輸出電阻，所以放大器的輸入電阻又不能夠太小。所以采用放大器反相接法，R1選擇20k左右。一般的放大器輸入噪聲為10-610-5Vp-p量級(jí)，而實(shí)驗(yàn)中采用了低噪聲的放大器OPA227，其輸入噪聲為10-8Vp-p量級(jí)，對(duì)信號(hào)幾乎沒有任

20、何影響。放大后的信號(hào)送入后級(jí)的濾波器進(jìn)行濾波。（4）帶通濾波器和GIC濾波器4.1.帶通濾波器由于實(shí)驗(yàn)要求頻率在100Hz-10kHz，而普通的帶通濾波器即使調(diào)到通頻帶為100Hz-10kHz也很難做到在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的增益保持不變，為了解決這個(gè)問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了4個(gè)不同的帶通濾波器，分別是100Hz-1.8kHz, 1.8kHz-4.5kHz, 4.5kHz-6.5kHz，6.5kHz-10kHz，并保證在各個(gè)通頻帶上增益相同，而且由于決定增益的電阻取得是相同的值，所以在100Hz-10kHz上，濾波器的增益都是相同的。帶通濾波器電路圖：仿真所得的幅頻特性曲線：可以看出在100Hz-1.8kH

21、z上的增益是相同的，接下來改變R1，R2和R5，R8的阻值即可實(shí)現(xiàn)各個(gè)通頻帶的相同增益，實(shí)驗(yàn)時(shí)取值如下：通頻帶R1(k)R2(k)R5(k)R8(k)100Hz-1.8kHz5.15.11601201.8kHZ-4.5kHz1.81.88.25.64.5kHz-6.5kHz1.51.53.62.76.5kHz-10kHz0.910.912.724.2.GIC濾波器帶通濾波器的特點(diǎn)是具有較寬且較為平坦的通頻帶，這保證了整個(gè)電路的線性，但是太寬的通頻帶不利于噪聲的濾除，下面介紹的GIC濾波器恰好與之相反，它具有很窄的通帶和很高的Q值。GIC電路圖如下：仿真所得的幅頻特性曲線如下：由圖可見，GIC濾

22、波器具有很高的Q值，對(duì)于除1kHz以外的信號(hào)具有很大的衰減，所以可以更好的濾除噪聲。實(shí)驗(yàn)中改變電容C1和C2的值即可使f0變?yōu)?kHz和10kHz,實(shí)驗(yàn)時(shí)取的參數(shù)如下：f0（kHz）C1C211.5n1.5n5300p300p10150p150pGIC濾波器的傳遞函數(shù)為 其中電壓增益： 截止頻率為： 品質(zhì)因素為： 設(shè)計(jì)中參數(shù)已經(jīng)在圖中標(biāo)出，且有 此時(shí)電壓增益： 截止頻率： 這樣選擇的元件參數(shù)，可充分發(fā)揮運(yùn)放的帶寬增益積的潛力。通過濾波器后的信號(hào)信噪比會(huì)有一定的提高，預(yù)濾波為后面的相關(guān)運(yùn)算減輕了壓力。通過上面的分析可知濾波器也是有一定的增益的，由于是二階濾波器，每一階2倍放大，共計(jì)四倍放大。一般

23、從放大器出來的信號(hào)在幾百個(gè)mv的量級(jí)，經(jīng)過濾波器后會(huì)被放大到1V左右，這是最希望看到的狀態(tài)，電路的調(diào)整應(yīng)該以此為參考標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)用一個(gè)開關(guān)控制這兩組濾波器的接入，經(jīng)過預(yù)濾波后的信號(hào)將會(huì)和參考信號(hào)一起被送入相關(guān)器進(jìn)行最后的相關(guān)運(yùn)算。2.參考通道的電路設(shè)計(jì)（1）移相網(wǎng)絡(luò)與比較器由于已知被測(cè)信號(hào)的頻率，故而參考信道的輸入信號(hào)是與被測(cè)信號(hào)同頻的正弦波，該信號(hào)首先進(jìn)入移相電路進(jìn)行移相，然后進(jìn)入過零比較器得到同頻方波，電路原理圖如下所示：仿真結(jié)果如下：移相器是通過滑動(dòng)電阻R6和電容C1分壓實(shí)現(xiàn)的，其簡單原理如下：假設(shè)輸入信號(hào)為，通過兩個(gè)電壓跟隨器之后，在分壓兩端的電壓分別是： 和 ，設(shè)經(jīng)過分壓后的輸出為，

24、推導(dǎo)如下： 由推導(dǎo)結(jié)果可見，輸出電壓信號(hào)保持幅度不變，但是其相位隨著而變化，實(shí)際電路中電阻是可變的，由圖中參數(shù)計(jì)算可知本移相器的移相范圍為到連續(xù)可調(diào)。實(shí)際電路中運(yùn)放和使用的是雙運(yùn)放芯片LM353，該芯片具有低功耗，高增益帶寬積以及低噪聲特點(diǎn)，完全滿足設(shè)計(jì)需要，實(shí)際上除了對(duì)噪聲要求極為苛刻的低噪聲前置放大器模塊單獨(dú)使用超低噪聲運(yùn)放，本設(shè)計(jì)大多運(yùn)放均使用LM353。 移相器出來的信號(hào)為相位改變的正弦波，進(jìn)入后面的過零比較器產(chǎn)生方波，實(shí)際電路中使用的比較器芯片是LM311，由于本設(shè)計(jì)主要用于檢測(cè)010KHz的低頻周期信號(hào)，對(duì)芯片運(yùn)算速度的要求不高，LM311的高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間完全滿足設(shè)計(jì)要求。（2）

25、移相網(wǎng)絡(luò)由于上圖的移相網(wǎng)絡(luò)范圍只有到，設(shè)計(jì)要求相位在范圍內(nèi)可調(diào)，故而在后級(jí)加上本電路，使得移相更為方便靈活。為了使得參考方波與輸入待測(cè)信號(hào)完全同相，還必須實(shí)現(xiàn)鎖相功能。本部分電路原理圖如下：鎖相環(huán)路CD4046連接成鎖相倍頻環(huán)路，即環(huán)路壓控振蕩器的輸出頻率=,這也是后面兩個(gè)D觸發(fā)器的主要作用，通過這兩個(gè)觸發(fā)器我們最終得到四個(gè)不同相位的輸出。設(shè)計(jì)中觸發(fā)器采用雙D觸發(fā)器芯片74LS74。圖中R1=10K, R2=2M, C1=2.2nF，這三個(gè)參數(shù)決定了鎖相環(huán)路的鎖相范圍，振蕩頻率以及電路的線性度。R3=47K, R4=22K, C2=0.47uF，它們組成了一個(gè)低通濾波器，起著穩(wěn)定環(huán)路工作的作用

26、。通過調(diào)節(jié)以上參數(shù)可以使得鎖相環(huán)路在幾赫茲到數(shù)百千赫茲頻帶內(nèi)正常工作，本設(shè)計(jì)由于針對(duì)低頻信號(hào)，以上參數(shù)可使得鎖相環(huán)在100HZ10KHZ范圍內(nèi)正常工作。 3.相關(guān)器電路設(shè)計(jì)和仿真 如前面所述，相關(guān)器是整個(gè)電路的核心器件，相關(guān)器的性能直接決定了整個(gè)鎖定放大器的性能，相關(guān)器也有一定的放大倍數(shù)。 圖5 相關(guān)器電路圖 圖中開關(guān)式乘法器采用模擬開關(guān)芯片CD4066，其中1腳和11腳為信號(hào)通道經(jīng)過濾波器后的待測(cè)信號(hào)和它的反相輸入，12和13腳為相位相反的兩個(gè)參考方波輸入，模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)乘法器的基本方法是：用產(chǎn)生的同步方波作為模擬開關(guān)導(dǎo)通或截止的控制信號(hào)（方波相位應(yīng)與正弦波相位一致），將輸入的微弱信號(hào)與它反

27、向后的信號(hào)作為模擬開關(guān)的兩輸入端。4.顯示電路設(shè)計(jì)相關(guān)器出來的是直流信號(hào)，為了實(shí)時(shí)的檢測(cè)并顯示出這個(gè)直流電壓的大小，需要設(shè)計(jì)一個(gè)顯示電路。本部分采用LED顯示A/D轉(zhuǎn)換器芯片ICL7107，它包含有七段譯碼器，顯示驅(qū)動(dòng)電路，可以直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。它直接將采樣得到的直流電壓大小顯示在數(shù)碼管上，使用極為方便，實(shí)時(shí)性好且精確度高。每秒3次刷新讀數(shù)。以下是其典型應(yīng)用電路，也是本設(shè)計(jì)采取的使用方式，滿量程為200mv。在相關(guān)器和顯示電路之間加上一個(gè)電阻分壓電路，當(dāng)相關(guān)器出來的直流電壓超過200mv時(shí)候可以進(jìn)行適當(dāng)衰減，這不會(huì)影響整個(gè)電路的線性。顯示部分電路簡圖如下:六、測(cè)試情況1、測(cè)試儀器直流穩(wěn)壓穩(wěn)流

28、電源：型號(hào)GPD3303示波器信號(hào)發(fā)生器2.測(cè)試方案測(cè)試分為信號(hào)通道，參考通道和相關(guān)器三個(gè)部分，在信號(hào)部分，又分為衰減電路，放大電路和濾波器電路三個(gè)部分分別進(jìn)行測(cè)試。(1)信號(hào)通道1.1測(cè)試衰減電路，衰減量為20dB和40dB兩級(jí)衰減，測(cè)試時(shí)先控制頻率為1kHz不變，然后改變信號(hào)的幅值，觀察各級(jí)信號(hào)輸出是否正常，然后控制信號(hào)幅值為0.5V不變，調(diào)節(jié)信號(hào)頻率，觀察是否滿足在100Hz到10kHz上衰減倍數(shù)不變。測(cè)試結(jié)果：信號(hào)頻率（kHz）信號(hào)幅值第一級(jí)測(cè)試結(jié)果第二級(jí)測(cè)試結(jié)果誤差10.5v0.0483v0.484mv3.2%10.4v0.0391v0.386mv3.5%10.3v0.0289v0.289mv3.6%10.2v0.0193v0.192mv4%10.1v0.0092v0.096mv4%由此可見誤差還是比較小的，但隨著信號(hào)幅值的進(jìn)一步減小，誤差有增大的趨勢(shì)