锁定放大器的设计与仿真实现【开题报告】

毕业论文开题报告
电子信息工程
锁定放大器的设计与仿真实现
一、课题研究意义及现状
微弱信号在各类科研活动中都是大量存在的，比如雷达系统中的回波信号的检测与判决，光学中的脉冲瞬态光谱和天文学中的形体光谱，唐策潜艇的声纳系统中的微弱回波信号等等。

由于这类信号及其微弱，一般都淹没在测试设备和一起的本底噪声中，用常规的测量方法通常是无法进行检测的。

微弱信号检测技术是一门理论和技术相结合的新兴科学，它运用近年来迅速发展起来的电子学、信息论和物理学方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，采用一系列的信号处理方法，达到检测被背景噪声覆盖的微弱信号。

在这些方法中，锁定放大技术是其中一种被使用得最广泛得方法．也被认为是最为有效的方法。

随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，可以说，微弱信号检测是发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要的意义。

自1962年美国PARC(Princeton Applied Research Corporation)公司研制出第一台用于测量微弱正弦信号的锁定放大器(Lock—In Amplifier)以后，国内外对于锁定放大器的研究在过去的四十年时间也获得了很大的进步，从其检测频带、动态范围的拓宽到检测精度的提高都有了数量级的飞跃。

同时在数字电子技术的发展下，尤其是数字信号处理技术的发展，锁定放大器也由模拟型向数字型发展，极大改善了锁定放大器的性能，使锁定放大器的研究发展和应用得到很大的提高。

较成熟的产品有：美国AMETEK公司的7280 DSP数字双相宽频(O．5-2M)锁定放大器；法国TE9822C型；日本NFCORP公司研制的多功能数字锁定放大器LI 5640和数字锁定放大器LI5630等。

二、课题研究的主要内容和预期目标
主要内容：
该设计根据课题要求完成的功能大致分成三个模块：信号通道、参考通道和互相关器。

1、信号通道，由第一级放大器、预滤波器、第二级放大器等部分组成。

其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大一起的动态范围的作用。

2、参考通道，主要是由相移电路组成。

互相关接收除了被测信号外，需要有另一个信号(参考信号)送到乘法器中，因此，参考通道是锁定放大器区别于一般仪器的不可缺少的一个组成部分。

其作用是产生与被测信号同步的参考信号输给相关器。

通常锁定放大器的参考通道输出是和信号同步的正弦波。

3、互相关器，由乘法器与低通滤波器（LPF）组成，是锁定放大器的核心部件。

互相关器采用互相关原理，以参考信号为基准，对有用信号进行相敏检测，实现频谱搬移后再经低通滤波器滤除噪声，达到既鉴幅又鉴相的目的。

预期目标：
设计好锁定放大器，实现当输入信号是正弦波伴随噪声，参考信号各自取正弦波锁定放大器滤除掉噪声，获取有用信号的功能。

三、课题研究的方法及措施
课题设计的总框图如下图1所示。

图1 锁定放大器的原理总框图
如图1所示，锁定放大器的组成分为三个模块：信号通道、参考通道和相关器。

待测信号与参考信号分别经过信号通道和参考通道，再进入相关器，测得输出的直流电压即可算出原信号幅值。

信号通道主要为了使待测信号进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相关器工作，并且滤除一部分的噪声；而参考通道则是为了获取相关检测所需的参考信号，根据相关检测原理，参考信号与原信号同频不同相；相关器是锁定放大器的核心部件，由乘法器和低通滤波器组成，对输入信号和参考信号进行相关运算进而检测出原信号。

图2 互相关检测的原理图
根据图2所示，s(t)是待测信号，f(t)是混入噪声N(t)的信号，fr(t)是与 s(t)同频而不同相AC 滤波AC 乘法器
信号
输入
参考
输入
低通DC
输出
移相器移相器
信号通道
参考通道
相关器
的干净信号。

假设s(t)和fr(t)都是正弦波，且r ωω=0，则有：)()cos()()()(10t N t U t N t s t f s +Φ+=+=ω，
)cos()cos()(202Φ+=Φ+=+t U t U t f r r r r ωωτ。

那么乘法器输出)(1t U o 为
)(*)()(11τ+=t f t f K t U r o
)
cos(*)]()cos([20101Φ++Φ+=t U t N t U K r s ωω )cos()()2cos(2)cos(2202101211Φ++Φ+Φ++Φ-Φ=t U t N t U U K U U K r r s r s ωω随后的低通滤波器，将所有02ω、0ω分量全部滤除，仅留下第一项直流分量，)cos(2
21210Φ-Φ=r s U U K K U 。

其中1K 是乘法器的传输系数，2K 是低通滤波器的传输系数。

那么，相关器的输出电压0U 和输入信号幅度s U 以及二者的相位差)(21Φ-Φ的余弦成正比，令参考电压的幅度r U =1，并调节相位，使相位差)(21Φ-Φ=0°或者180°，那么s r s U K K U U K K U 2
)cos(22121210±=Φ-Φ=。

可见，相关器的输出电压将唯一的取决于被测信号s(t)，而与噪声无关。

由此可以从噪声中将原信号检测出来。

四、课题研究进度计划
第一阶段：
2010/2011第一学期：
第4-5周：完成选题，并针对设计题目查找相关资料大致清楚设计的方向，内容和找好外文文
献。

第6-12周：完成外文翻译,文献综述和开题答辩。

第13周：开题答辩。

第二阶段：
第14-20周：程序设计基本完成，通过仿真测试，完成毕业论文初稿。

第三阶段：
2010/2011第二学期：
第1-7周：设计作品的完善，毕业论文的修改，准备答辩。

第8-12周：毕业设计答辩。

五、参考文献
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