2000--锁相电路在分析仪器中的应用

锁相电路在分析仪器中的应用
凌
海
（四川仪表九厂，重庆，400060）
摘要介绍了锁相电路的工作原理及应用方法。

该电路利用锁相环来进行相敏解调，完成交流
信号的检波。

锁相电路抗干扰性能好，通用性强，在分析仪器中主要是作为同步滤波器，恢复埋在噪声中的信号。

列举了若干应用实例。

关键词
锁相环
相敏解调
滤波
中图分类号：TM
!前
言
锁相电路是一种应用范围十分广泛的电路，目前已在通信、电视、测量仪器等领域大量采用。

该电路可以对深埋在噪声中的微弱交流信号进行有效放大。

早期的许多分析仪器都是先把交流测量信号放大到一定幅度，然后采用一种非相敏的全波整流电路将信号直接转换
成脉动直流信号［1］，再进一步处理变成直流
信号输出或显示。

这一方法虽然简单，但抗干扰性能较差。

随着对仪器仪表精度、稳定性等方面的要求不断提高，这种处理方法已不能满足实际应用的需要。

锁相电路则可将与测量信号的频率、相位都不同的噪声电压滤除或衰减，提高整机的信噪比，增强仪器的抗干扰性能。

"工作原理
锁相电路用途很广，在分析仪器中主要是作为同步滤波器，恢复埋在噪声中的信号，其电路方框图见图1。

仪器的测量信号经前置放大后，进入带通滤波器（band p ass filter ）
，先由滤波器滤掉大部分与测量信号固有频率不同的干扰信号，然后由锁相环（p hase-locked loo p ）输出的方波控制在相敏解调器（p hase sensiti ve de m odula-tor ）内的一对模拟开关，把经调制的交流测
量信号解调成脉动直流信号，最后通过低通滤
图!锁相电路方框图
波器（loW p ass filter ）
，将包含在测量信号中的噪声成分用平均值方法滤除，以进一步提高信噪比。

至此，仪器对传感器产生的交流信号的主要处理已基本完成。

在实际应用中，视各仪器的具体情况可增加其他功能电路，如线性化、报警、电压／电流转换电路等。

#电路设计
在图1电路中，前置放大器随仪器测量原理的不同而差异较大，这里不一一介绍。

下面介绍具有一定通用性的电路部分。

#$!带通滤波电路
带通滤波器的作用是选出有用信号而抑制无用信号，电路图如图2所示。

图2带通滤波电路
该电路为二阶带通有源滤波器。

调节电位器RP 1可改变电路的中心频率［2］。

对于频率偏离
中心频率的干扰信号，其放大倍数会降低，即得到抑制。

在确定设计参数时，既要保证电路的选频特性，又要考虑稳定性，故!值不宜太大，对于中心频率只有几十赫兹的交流信号，!值一般在1 左右。

3.2锁相环电路
该电路可产生一对相位既稳定又可调的方波，该组方波作为解调信号加到相敏解调器
上，其产生波形的电路如图3
所示。

图3锁相环波形发生电路
在图的左边，由运放I C 1和C 1、N 沟道场
效应管T 1、T 2、
三极管T 3组成的电路将参考信号转变成锯齿波。

具体工作过程如下：在参考信号的正半周，T 3导通，T 1、T 2栅极电位为负，
T 1、T 2截止，C 1充电；在参考信号的负半周，T 3截止，T 1、T 2导通，C 1为放电过程。

通过周期
性地充放电产生锯齿波。

I C 2为比较器，两个比较电压分别为锯齿波和可调直流电位。

调节
RP 1可改变比较器的门槛电压，
从而改变比较器输出矩形波的占空比。

锁相环采用一个集成芯片CD 4 46，它由一个压控振荡器（VCO ）、两个鉴相器组成［3］，本
电路只用一个鉴相器（PD 2）。

I C 2将一矩形波输出到锁相环中，VCO 就产生一个占空比为
的方波，
这个方波又接至PD 2的输入端，PD 2将I C 2输出的矩形波与VCO 输出方波的相位加以比较，产生一个相应于两信号相位差的误差电压。

该电压控制VCO ，从而实现锁相。

PD 2为边沿型触发鉴相器，调节电位器
RP 1可改变I C 2输出波形的占空比，最终改变VCO 输出方波相对于参考信号的相位，所以该电路又可称为移相器。

3.3相敏解调器（P S D ）
解调器的任务是把经过带通滤波器BPF 的交流测量信号转化成直流信号，参见图4。

图4相敏解调器电路
该电路为全波相敏整流。

交流信号经过
I C l 反相器分成两路，分别加在由场效应管组成的两只模拟开关的一端。

由锁相环（PLL ）输出的两个相位相反的方波使T l 、T 2交替导通，两个正弦波分别切去一个半波，两个剩余半波用由运放I C 2构成的加法器相加，得到脉动直流信号，从而实现解调。

测量信号与解调方波的相互关系参见图5。

图5测量信号与解调方波的关系
解调后的波形及幅值与锁相环输出波形的相位有着密切关系。

图5中，输出波形!是锁相环相位与测量信号相差为0时的波形。

当存在相位差!时，生成的波形如"，其滤波后的幅值将明显小于波形!，可见调节RP l 可使测量信号完全解调出来，而抑制其他非同相的干扰信号。

3.4低通滤波器（L P F
）由解调器输出的电压信号含有较大的脉动成分，必须经图6
所示的电路滤除。

图6低通滤波电路
该电路十分简单，实际就是一个积分器。

适当选择!、"参数，以免时间参数过小，造成线性不好，或者过大，影响仪器整机的响应时间。

4应用举例
要将锁相电路应用到分析仪器上，最关键的问题就在于如何对信号加以调制，如何产生参考信号。

有了参考信号，锁相环就可以输出相应的解调控制信号，最终完成调制信号的解调。

而产生参考信号的途径有许多种。

在此列出一种红外线气体分析器上采用的方法，这也是最常用的一种，如图7
所示。

图7红外气体分析器参考信号电路
被测气体流经气室，吸收光源发出的红外光，从而打破光路平衡，产生信号。

而光源发出的红外光在进入气室前被切光片所调制。

该切光片又切过光电耦合器，在光电耦合器的受光部分，得到一个与测量信号频率完全一致、相位不同的参考信号。

这种频率实际是由电机转速和切光片的叶数决定的。

从理论上讲，凡是基于朗伯特-比尔吸收原理的测量仪器，包括分光光度计，都可按此思路进行设计。

在这类仪器中，光敏部件较易受到杂散光的影响，从而产生虚假干扰信号。

而采用锁相电路则可大幅度抑制干扰。

磁压力式氧分析器的工作原理是基于氧的顺磁性。

不同氧含量的两种气体在磁场中形成压力差，进而产生信号。

仪器中一个振荡器产生的脉冲方波被分成两路，一路经一系列处理
后加到电磁铁上，产生一个交变磁场，从而对信号实现调制。

另一路则用来作为参考信号，实现对信号的调制解调。

以上仅是举例。

分析仪器品种繁多，原理各异，在应用时要具体问题具体分析。

在对仪器的技术档次、成本作综合分析后，再考虑采用该电路的具体措施。

!结论
采用锁相电路实现测量信号的全波整流，有着明显的优越性。

我厂的CY-101型磁压力式氧分析器、GXH-101型红外线分析器和GXH-102型智能多组分红外线气体分析器均采用了类似的电路（移相方式有所不同）。

而在GXH-103型普及型红外线分析仪上则采用了直接全波整流。

两者在技术指标上存在着较大差异。

GXH-102与GXH-103两种仪器的接收器、气室部件都是通用的，区别就在于信号处理部分。

GXH-102的输出波动为满量程的0.4%，而GXH-103的输出波动为满量程的0.7%，可见效果是明显的。

实践证明，这种电路通用性很强，适当改动就可应用到多种仪器仪表中，提高其技术档次。

参考文献
1王化正，李玉生著.常用分析仪器结构使用与维修.北京：烃加工出版社，1987：141!142
2常玉燕等译.日本电路精选.北京：电子工业出版社，1989：375
3万心平，张厥盛著.集成锁相环路.北京：人民邮电出版社.1993：272
收稿日期：1999-06-26
凌海，男，研究室主任，高级工程师，主要从事过程分析仪器的研究和设计工作。