锁定放大器 (TI杯获奖作品)

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2012年江苏省电子设计大赛A题微弱信号检测装置设计报告

2012年江苏省TI杯模拟电路设计竞赛论文参赛学校：三江学院参赛题目：微弱信号检测装置作者：李亮王尧王慧指导教师：徐伦龚秋英2012年8月本作品使用TI公司的OPA134运算放大器、INA2134PA音频差动放大器、OPA2228、IF353等芯片为主要控制器，辅以电源、MPS430系列单片机、LCD显示等电路，实现了设计并制作出一套微弱信号检测装置。

其中锁相放大器（lock －in. Amplifier 简称LIA）在此作品中就是检测淹没在噪声中的微弱信号，它可用于测量交流信号的幅度和相位，有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度，可测量毫微伏量级的微弱信号。

首先通过把噪声源放大，使之输出的均方根电压值满足要求；然后使用加法器将函数发生器产生的有用信号与放大之后的噪声源叠加成为一个信号。

之后通过纯电阻网络进行衰减，再通过锁相环放大电路进行检波滤波，最后通过单片机AD采集相敏检波得到的直流信号电压通过滤波算法从而得到准确的幅值信息并在12864上显示出。

关键词：微弱信号峰值检波锁相放大 MPS430一、系统整体方案设计 (1)1、赛题分析 (1)2、系统结构 (1)3、实现方法 (1)4、方案选择 (2)二、理论分析与计算 (3)1、理论分析 (3)基础部分 (3)2、关键电路分析 (3)1）有源带通滤波电路 (3)2)锁相放大电路 (4)三、电路设计 (6)1、电路机理 (6)1）噪声放大模块 (6)2）加法器模块 (6)3）纯电阻分压模块 (7)4）低通滤波模块 (7)5）跟随器模块 (8)2、各部分电路实现的功能 (8)1）OPA134音频放大 (8)2）INA2134PA加法器 (8)3）OPA134跟随器 (8)4）纯电阻分压网络 (9)5）带通滤波电路与锁相放大电路 (9)6）微弱信号检测电路 (9)四、程序设计 (9)1、软件功能结构 (9)2、主模块实现流程 (9)五、测试方案与测试结果 (9)1、测试仪器 (9)2、测试方案 (10)3、测试结果与分析 (10)六、设计总结 (11)1、存在的问题 (11)2、设想展望 (11)七、参考文献 (12)八、附件 (12)1一、系统整体方案设计1、赛题分析本作品的任务是设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值即峰值。

锁定放大器实验

2锁定放大器实验锁定放大器（LOCK—in Amplifier），简称LIA。

它是一个以相关器为核心的微弱信号检测仪器，它能在强噪声情况下检测微弱正弦信号的幅度和相位。

当我们对相关器有所了解以后，就可以将它构成锁定放大器。

安排本实验的目的是使同学了解锁定放大器的基本组成，掌握锁定放大器的正确使用方法。

一、锁定放大器的基本组成锁定放大器的基本结构框图如图10-2-1所示。

它有四个主要部分组成：信号通道、参考通道、相关器（即相关检测器）和直流放大器。

现分别介绍如下：图10-2-1 锁定放大器的基本结构框图1、信号通道信号通道包括：低噪声前置放大器、带通滤波器及可变增益交流放大器。

前置放大器用于对微弱信号的放大，主要指标是低噪声及一定的增益（100倍～1000）倍。

可变增益交流放大器是信号放大的主要部件，它必须有很宽的增益调节范围，以适应不同的输入信号的需要。

例如，当输入信号幅度为10nV，而输出电表的满刻度为10V时，则仪器总增益为10V/10 nV＝１０９，若直流放大器增益为１０倍，前放增益为１０３，则交流放大器的增益达１０５。

带通滤波器是任何一个锁定放大器中必须设置的部件，它的作用是对混在信号中的噪声进行预滤波，尽量排除带外噪声。

这样不仅可以避免PSD过载，而且可以进一步增加PSD 输出信噪比，以确保微弱信号的精确测量。

常用的带通滤波器有下列几种：（1）高低通滤波器图10-2-2为一个高通滤波器和一个低通滤波器组成的带通滤波器，其滤波器的中心频率f0及带宽B由高低滤波器的截止频率f c1和f c2决定。

锁定放大器中一般设置几种截止频率，从而根据被测信号的频率来选择合适的f0及带宽B 。

但是带通滤波器带宽不能过窄，否则，由于温度、电源电压波动使信号频谱离开带通滤波器的同频带，使输出下降。

为了消除电源50Hz的干扰，在信号通道中常插入阻带滤波器，有称陷波滤波器。

图10-2-2 高低通滤波器原理（2）同步外差技术上述高低通滤波器的主要缺点是随着被测信号频率的改变，高低通滤波器的参数也要改变，应用很不方便。

锁定放大器

实验四锁定放大器
一、实验目的
1. 了解锁定放大器的原理及典型框图
2. 根据典型框图，连成锁定放大器
3. 熟悉锁定放大器的使用方法
二、实验原理
锁定放大器的基本原理：
相关器乘法
低通
锁定放大器分三部分：信号通道、参考通道、相关器
（1）信号通道作用：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，扩大仪器动态范围。

（2）参考通道：作用，产生于被测信号同步的参考信号输给相关器。

（3）
相关器是锁定放大器的核心，把放大后的输入信号与参考信号进行相关运算，达到
从噪声或干扰中检测有用信号。

锁定放大器相当于以为中心频率的带通放大器，等效信号带宽由相关器的时间常数决定
锁定放大器等效噪声带宽：
抑制噪声能力：
三、实验内容与测试
1. 锁定放大器对微弱电压信号的测试
2. 接通电源，预热，调节多功能信号源，输出正弦波。

频率1.1KHz ，电压100mv ，由精
密衰减器衰减输出100nv 微弱信号进行测量。

f s =1.1KHz ，V s =100nV ，T e =0.1s,Q=3 f s =1.1KHz ，V s =100nV ，T e =1s,Q=3
f s =1.1KHz ，V s =100nV ，T e =10s,Q=3
四、实验结论
(1)利用锁定放大器提取深埋在背景信号噪声中的信号时，加大时间常数，可以提高输出信噪比。

(2)在选择时间常数时，要考虑侧信号的响应时间，时间常数过长，将会把有用信号平均掉，使测量结果不能反映待测物理量，时间常数的选择需考虑信号响应速度和输出信噪比两个因素。

2018年安徽省大学生电子设计竞赛“TI杯”(最高奖)获奖作品--灭火飞行器设计报告

2018年安徽省TI杯大学生电子设计竞赛灭火飞行器（B题）设计报告目录摘要： (2)关键词： (2)一、系统方案 (3)1.1 控制系统的选择 (3)1.2 飞行姿态控制的论证与选择 (3)1.3 电机的选择 (3)1.4 高度测量模块的论证与选择 (3)1.5 边界判断模块的选择 (3)1.6 角速度与加速度测量模块选择 (4)二、设计与论证 (4)2.1 控制方法设计 (4)2.1.1降落及飞行轨迹控制 (4)2.1.2 飞行高度控制 (5)2.1.3 飞行姿态控制 (5)2.2 参数计算 (6)三、理论分析与计算 (6)3.1 Pid控制算法分析 (6)四、电路与程序设计 (9)4.1 系统组成 (9)4.2 系统框图 (9)4.3 系统各模块电路图 (10)4.4 程序流程图 (13)五、测试方案与测试条件 (13)5.1 测试方案 (13)5.2 测试条件 (14)六、结论 (16)6.1 pid控制如下图： (16)附录一：元器件明细表 (18)附录二：仪器设备清单 (18)附录三：程序 (18)摘要：本系统由数据采集、数据信号处理、飞行姿态和航向控制等部分组成。

系统选用STM32F4单片机作为主控芯片，对从STM32F4芯片读取到的一系列数据进行PID算法处理并向飞行器的电调给出相应指令，从而达到对飞行器飞行姿态的控制。

采用STM32F4芯片采集四旋翼飞行器的三轴角速度和三轴角加速度数据,用激光定高来判断“火源位置”，以保证飞行器可以直接找到“火源”。

通过使用激光判断边界区域，确保可以在相应范围内飞行；nrf51422无线通信模块用来实现遥控器和飞行器之间的通信。

关键词：STM32F4单片机激光传感器超声波测距定高 PID算法光流定点模块nrf51422无线模块一、系统方案本系统主要由控制模块、激光定高模块、电机调速模块、循迹模块、无线通信模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 控制系统的选择方案一：STM32F1单片机作为主控芯片来控制飞行器的飞行姿态与方向，带有摄像头采集，并把摄像头采集的数据发送给STM32F4进行处理，运用 pid算法进行姿态调整。

1锁定放大器的设计

锁定放大器的设计贾硕，李昊政，刘文瑜(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要：本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，由信号通道电路，参考通道电路，相敏检波器，输出显示部分组成。

其中信号经电阻分压网络生成微小信号，再经过放大和参考通道的方波输入到AD630,AD630再输出直流量给单片机采样显示。

经测试，本系统能准确测量出强噪声背景下范围为10uf-1mV 的微弱信号，并在液晶准确显示，基本完成了题目要求。

本系统分压网络由精密电阻搭建的π型分压网络，简单快捷，稳定性高，移相运用了有源移相网络，实现了0到360度连续调节。

检测显示模块利用高性能MSP430单片机和高精度模数转换器ADS1118进行采样并经12864显示，美观大方。

关键词：微弱信号；相敏检波器；MSP430The Design of The Lock-in AmplifierJIA Shuo, LI Zheng-hao, LIU Wen-yu(College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001,China) Abstract:This system is a weak signal detection based on phase-locked amplifier device, the signal channel circuit, the reference channel circuit, phase-sensitive detector and the output display parts. The signals generated by partial pressure resistance network of tiny, then amplified and reference channel of square wave input to AD630, AD630 output straight flow show single-chip microcomputer sampling again. After the test, this system can accurately measure the strong noise background range of 10 uf - 1 mv weak signal, and the liquid crystal display accurately, basically completed the topic request. phase shift using the active phase shift network, implements the continuous adjustment 0 to 360 degrees. Detection display module using high-performance MSP430 single chip microcomputer and high precision adc ADS1118 samples and by 12864.Key words:weak signal; phase sensitive detector; MSP4301 设计任务1．1 任务设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器（LIA）。

电赛论文

锁定放大器（C题）摘要锁定放大器是利用信号的相位特征：同频且同相的可以通过，同频不同相的则有一定的衰减作用的原理做成的。

锁定放大器最终的输出是直流量，其实质是微弱信号检测。

由于输入的信号S(t)十分微弱，信号被噪声和干扰所淹没，因此首先让该信号经过低噪声前置放大器进行放大，然后经过各类滤波器将干扰和噪声除去。

然后把这路信号送入相敏检波器。

由于S(t)的幅度有效值是10μV~1mV，相差很大，因此对输入信号进行分量程放大。

参考信号送入参考通道后，先进入触发整形模块产生与被检测信号同频率的方波，该模块由放大电路与电压比较器组成。

产生的方波经由FPGA做成的移相电路移相后进入相敏检波器。

相敏检波器（PSD）把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大。

并且可以通过低通滤波器，其它频率的分量因被转换成频率不为0的交流信号而被低通滤波器滤除。

最终可以得到直流分量。

显示部分采用单片机实现。

经整体测试，证明本项目完成了所有要求。

关键词：微弱信号检测低噪声前置分量程放大FPGA 低通滤波器一、系统方案论证与比较1．移相网络设计因为输出信号与信号的相位差有关，所以必须加入移相网络。

移相是指两种同频的信号，以其中一路为参考，另一路相对于该参考做超前或滞后的移动，即称为相位的移动。

方案一：采用模拟移相法，模拟移相电路其实就是一个全通滤波电路，它的放大倍数A u=（-1+jwRC）/(1+jwRC) （1）写成模和相角的形式为：|A u|=1, φ=180°-2arctan（f/f0）（2）其中f0=1/（2πRC）。

一阶全通滤波器的移相范围接近180度，所以通过设计两级滤波则可使移相范围达到360度。

该方案优点在于可以设定任意的相位。

但不能数控，精度不高。

方案二：采用数字移相方法，数字移相可以在0～180°的范围内调节，由单片机控制相位预值，用FPGA来产生移相后的矩形波。

锁定放大器的原理

锁定放大器的原理锁定放大器（PLL放大器）是一种常用的电路，用于调频调相解调、信号恢复、时钟回复等应用中。

它的核心原理是通过负反馈控制产生的一个稳定的输出信号，并将其锁定到一个参考信号源上。

与传统的放大器不同，锁定放大器可以自动跟踪输入频率的变化，并在输出中保持同样的频率。

锁定放大器的基本结构包括相频检测器、环路滤波器、振荡器和反馈环。

下面我们将详细介绍锁定放大器的原理。

1. 相频检测器（Phase Detectors）：相频检测器是锁定放大器的核心部件之一。

它根据输入和输出信号的相位关系来产生一个误差信号。

常用的相频检测器有相移检测器、频率差检测器和同步检测器等。

相频检测器的作用是将输入信号的频率和相位信息转换为电压或电流信号，用于比较和控制。

2. 环路滤波器（Loop Filter）：环路滤波器是一个用于滤除高频杂散信号的低通滤波器。

它的作用是将相频检测器输出的误差信号进行滤波和放大，产生一个控制电压或电流信号，用于驱动振荡器工作。

环路滤波器的设计需要考虑系统的带宽、稳定性和抗干扰能力等因素。

3. 振荡器（Oscillator）：振荡器是锁定放大器的另一个重要组成部分，它产生一个输出信号，并将其与输入信号进行比较，根据比较结果反馈给相频检测器进行调整。

常用的振荡器有LC振荡器、晶体振荡器和压控振荡器等。

振荡器的频率和相位可以受到控制电压的调节，从而实现与输入信号的锁定。

4. 反馈环（Feedback Loop）：反馈环是锁定放大器的核心组成部分，它将输出信号通过滤波器和振荡器反馈给相频检测器，形成一个闭环控制系统。

反馈环的作用是根据误差信号来调节振荡器的频率和相位，使输出信号与输入信号保持一致。

反馈环的稳定性和抗干扰能力决定了锁定放大器的性能。

锁定放大器的工作过程如下：1. 初始状态：锁定放大器初始时，输入信号和输出信号的频率和相位可能不一致。

相频检测器检测到这种差异，并将误差信号传递给环路滤波器。

锁定放大器实验(宋1)

目前微弱信号检测仪器，极大部分都是在上述的这些方法指导下设计与研制的，大致可以分下列几类：①锁定放大器——相关检测（相干检测）它是目前最常用的仪器，适于对淹没在噪声背景中的正弦波或方波信号的检测。

它的使用范围之广已遍及各个领域，使用十分普遍。

②取样积分器，多点信号平均器——重复信号的时域平均这种仪器用于淹没在噪声背景中的信号波形的恢复。

测量信噪比的提高，遵守m法则。

取样积分器适于快速信号波形的恢复，多点信号平均器适于低频信号的恢复。

③单道光子计数器，光学多通道分析器（OMA）——离散信号的统计处理方法这两种仪器用于极微弱光的测量。

由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号的特征，使利用离散信息处理方法检测成为可能。

单道光子计数器是采用光电倍增管（PMT）作传感器，具有明显单光子峰，采用脉冲甄别计数技术，检测微弱光。

光学多通道分析器（OMA），采用光导摄象管等多路转换器件。

配上微处理器处理，能得到x、y、t三维图像。

具有时间分辨测量的能力，为动力学过程的研究创造了条件。

④计算机处理的方法随着计算机应用范围的扩大，原来在微弱信号检测中一些需要用硬件完成的检测系统，可以用软件来实现。

利用计算机进行曲线拟合，平滑，数字滤波，快速富里叶变换（FFT）及谱估计等方法理信号，提高信噪比，实现微弱信检测的要求。

光电实验的弱信号检测模块包括相关器和锁定放大器实验和多点积分器实验，分别介绍相关接收和同步积累这两种方法。

相关器和锁定放大器实验一、实验目的（1）了解和掌握相关器、锁定放大器工作原理；（2）测定相关器的性能和输出特性；（3）*观察相关器对倍频干扰的抑制作用，观察并测定相关器对倍频干扰的抑制性能；（4）*掌握双相锁定放大器工作原理，并测试双相锁定放大器的输出特性；二、锁定放大器和相关器的工作原理在非电量（如光强、速度、温度、压力等信号）的电测量过程中，需要用传感器把被测物理量转换成电信号即被测信号，送到测量放大器进行处理。

2014年TI杯江苏省大学生电子电路设计竞赛 C题一等奖锁定放大器设计报告

江苏省大学生电子设计竞赛杯
作品设计报告
选题：题锁定放大器的设计
参赛队编号：
学生姓名：田原惠琦李一博
摘要
本系统是基于相敏检波()技术的锁定放大器()，用于实现强干扰背景下级微弱信号的有效检测。

本文给出一种基于器件的解决方案。

系统由信号通道、参考通道、相敏检波器三部分组成。

其中信号通道由加法器、分压网络组成，实现信号与干扰的叠加并将大信号衰减为微弱信号，参考通道包括移相电路、触发整形电路，生成用于驱动模拟开关实现的方波信号。

相敏检波器为核心，检波后经低通滤波输出直流信号供采样处理。

经单片机简单计算，在液晶屏上显示微弱信号幅值。

经测试，本系统较好完成了微弱信号的检测。

关键词：微弱信号检测锁定放大相敏检波。

用于微弱信号检测的新型锁定放大器设计

用于微弱信号检测的新型锁定放大器设计戴澜;洪亚茹【摘要】针对传统锁定放大器输入信号与参考信号不能时刻保持同步的问题,本文设计了一种新型锁定放大器电路.该电路采用反馈技术,对输入信号与参考信号的相位差进行校准以及对参考信号的频率进行调整,达到输入信号与参考信号同频同相的效果,从而实现微弱信号检测的目的.实验结果表明:基于SMIC 0.18 μm CMOS 工艺,在1.8 V的电源电压下,该技术可以实现输入信号与参考信号相对相位自校准以及0.75 ~1 kHz的频率调谐,也可以从噪声中检测出幅度低至5 μV的信号,验证了该电路的可行性,提高了系统的实用性.【期刊名称】《北方工业大学学报》【年(卷),期】2018(030)005【总页数】7页(P52-57,63)【关键词】锁定放大器;反馈技术;微弱信号;相位自校准;频率调谐【作者】戴澜;洪亚茹【作者单位】北方工业大学电子信息工程学院,100144,北京;北方工业大学电子信息工程学院,100144,北京【正文语种】中文【中图分类】TN911.8锁定放大器自问世以来，在微弱信号检测方面显示出优秀的性能.因为输入为交流小信号，所以信号常被噪声淹没.[1]锁定放大器将被测小信号和参考信号之间的相位进行检波，当两个信号同频同相时，输出一个同输入信号成正比的直流信号[2]，这样就达到了把输入小信号从噪声中提取出来的目的.相敏检波器的实现方式有数字电路和模拟电路2种，因此锁定放大器也被分为数字锁定放大器和模拟锁定放大器2类.数字锁定放大器具有很好的灵活性、鲁棒性和较高的动态储备，但是首先需要把输入的模拟信号通过高精度的模数转换器（Analog to Digital Converter，简称 ADC）转换成数字信号，然后通过复杂的数字乘法器实现输入和参考信号的倍乘.所以，数字锁定放大器成本高、面积大、重量大，不适于便携式传感器系统.[3]在低功耗便携式应用的主流背景下，采用全模拟锁定放大器是目前最好的解决方法.但是不管数字锁定放大器还是模拟锁定放大器，都存在以下2种局限：1）需要固定的参考频率f0；2）没有校准或校准繁琐，在电源开启和系统运行过程中，需要输入信号与参考信号具有准确的相位校准.[4]传统电路中校准是通过使用合适的控制信号和开关，手动打开操作，但是如果工作频率发生变化，系统就需要添加额外的校准，或是重新设计一些内部模块，不便于实际操作.为了解决上述问题，本文提出了一种新型的全模拟锁定放大器.1 锁定放大器的基本原理图1 传统的锁定放大器结构图1为传统的锁定放大器结构[5]，输入信号首先被放大，通过带通滤波器滤除边缘噪声，输出信号VO2与参考信号 VREF通过相敏检波器相乘，最后经过一个低通滤波器滤除其他频率分量.在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参考信号频率相同的那个分量才会被转换为直流，因而才能通过低通滤波器.其他频率的分量因为被转换成频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器滤除.但是此结构只有在输入信号频率一定时，才有确定的参考方波信号进行检波，然而实际应用时，输入信号会不断变化，只要给出的参考信号与输入信号不同频同相，这种结构就不能准确的把被噪声淹没的输入信号检测出来.为此本文设计了一款新型锁定放大器，通过采用反馈系统实现参考方波信号与输入信号同频同相功能，整个系统进行自校准，提高了系统的灵活性和实际操作性.2 新型锁定放大器的设计图2是新型锁定放大器的整体架构，其中LNA为低噪声输入仪表放大器，BPF是带通滤波器，PSD是相敏检波器，PS是移相器，LPF是低通滤波器，FB是反向积分器.图2 新型锁定放大器结构此结构主要由4个模块构成：相位校准、正交校准、频率调谐和测量模块.[6]前3个模块都是在传统模块基础上加入了反馈系统.电路正常运行的判定依据是直流输出信号 VPC、VQC和 VFT分别为零，而测量模块（Measurement System，简称MS）的直流输出信号正比于输入信号的幅值.考虑到系统由1.8V的单电源供电，所以参考零点设为 VDD／2，即 0.9V.在整个电路的运行中，相位校准模块、正交校准模块以及频率调谐模块的反馈操作使输出 VPC、VQC和 VFT被重新反馈回各模块的输入端，并与输入比较，直到各模块输出达到稳定零状态.2.1 相位校准模块在这个模块中，首先让输入信号通过仪表放大器，使信号和噪声放大，放大后的信号再经过带通滤波器滤出带外噪声，带通滤波器的中心频率f0是由反馈信号VC控制.在这个模块中带通滤波器具有很强的抑制带外白噪声的能力，而且它影响着整个测量系统能达到的最小分辨率.带通滤波器的输出信号VA通过相敏检波器乘以参考信号移相90°的信号 VB，输出 VF经过低通滤波器得到直流信号VPC.在这个模块中如果输入信号与参考信号相位差为90°，其直流输出信号VPC就为零.否则 VPC就为一个正值或负值，这个正值或者负值再通过反向积分器后输出一个信号VL，信号VL用来反馈控制移相器的相移，直到使输入信号与参考信号的相位差为90°，这样就能精确地保证VA和VB严格正交.采用的仪表放大器电路如图3所示[7]，仪表放大器输入的信号很小，一般为mV级甚至μV级，共模抑制比大，适合用于噪声环境下微弱信号的采集，其中RG1和RG2两电阻外接，可以通过调节RG1和 RG2两个可调电阻，改变放大器的倍数.[8]整个电路的核心结构是相敏检波器（Phase Sensitive Detector，简称 PSD），相敏检波器的本质就是对2个信号之间的相位进行检波，当2个输入信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大，其结构如图4所示.开关式相敏检波器的功能相当于参考信号幅度为1 V的方波的模拟乘法器式相敏检波器，当参考信道r（t）为＋1 V，电子开关接通到 x（t）；当参考信道r（t）为－1 V，电子开关接通到－x（t），这样就实现了r（t）与x（t）的相乘[9]，经过低通滤波器后输出为式（1），其中θ为两个输入信号相位差.图3 仪表放大器图4 相敏检波器2.2 正交校准模块正交校准模块的作用是使参考信号进一步相移90°，通过 PSD-QC、LPF-QC和FB-QC来控制PS-QC产生正确的延迟，从而使测量模块的两输入信号能够“同相”，使cosθ的绝对值为1.移相电路通过由电流镜所确定的电流I和电容C的大小确定延时Tdelay，它主要由电容C的充放电来完成延时，其公式如下：其中，Vdd和 Vss为正电源电压和负电源电压.本文设计的移相器电路图如图5所示，其中反馈电压VCTRL控制 M2管栅端电压变化，变化的电压产生相应变化的电流，从而改变了延时Tdelay的大小.对于理想的电流源，最大的移相角度是90°，但实际中由于NMOS管和PMOS管的W／L、阈值电压 Vth的影响，相移到不了90°，为了达到更大范围的相移，相位校准模块的移相器采用3级级联，正交校准模块的移相器采用6级级联.图5 移相器2.3 频率调谐模块频率调谐模块的作用主要是通过反馈电压VCTRL控制反相带通滤波器的中心频率f0，使此频率与输入信号和参考信号的频率保持一致.一方面，只有当反相带通滤波器的中心频率在 f0处时，频率与f0相同的输入信号VB才会被准确的反相180°.反相带通滤波器，如图6所示.通过正交校准模块VB和VD已经严格正交，所以此模块中相敏检波器的2个输入信号VH和VD也正交，通过低通滤波器后输出的信号就为零.如果带通滤波器的中心频率不在f0处，其相位响应会影响VB的相位，因此VD和VH的相位差将会高于或低于90°.另一方面，如果信号 VB的相移在带通滤波器中心频率处不是180°，可能低至90°或高达270°，这时 VH和VD相位不再正交，相敏检波器的输出信号VI就会产生一个正的或负的直流成分，这个直流成分通过反馈产生控制电压VC来调整相位校准模块和频率调谐模块，使它们的带通滤波器中心频率恢复到f0.图6 反向带通滤波器2.4 测量模块由于经过2次90°相移 PSD-PC和 PSD-QC，相位校准模块的VD和频率调谐模块的VA信号的相位差θ为180°，通过相敏检波器相乘后，由公式（1）求得其输出信号为：式（3）中A为总增益，包括 LNA的增益（可自行设置），BPF-PC的增益（其值是一个固定值）和LPF-MS的增益（极其微小可以忽略），本设计总的电压增益大约为20000倍，即86.02 dB.由式（3）可知，输入信号的幅值被放大，整体信号可以恢复出来.整个锁定放大器内部结构各个模块都采用了相同的跨导放大器，跨导放大器结构如图7所示，它由两级构成，第一级输出电阻和增益如式（4）、式（5）所示：其中 B 为（W／L）5与（W／L）3的比值，等于（W／L）6与（W ／L）4的比值，gds为漏源跨导，rds为漏源电阻，gm为MOS管跨导.第二级输出电阻和增益如式（6）、式（7）所示：图7 跨导运算放大器跨导放大器的开环增益即为AVM与AVOUT的乘积.由于锁定放大器的输入信号频率低、幅值小且易被噪声淹没，所以放大器不需要有较高的压摆率和增益带宽积，其主要参数仿真结果如表1所示.表1 放大器的主要参数OTA主要参数电源电压／V功耗／μW GBW／MHz Gain ／dB SR／（V ／μs）等效输入噪声／（nV／Hz）CMRR／dB PSRR／dB Cadence仿真值 1.8 83.59 3.579 100 2 49＠1 kHz 70＠ 0.8 kHz 83＠ 0.75kHz 80 1143 Candence平台仿真结果基于Cadence平台搭建原理图，采用Spectre软件对整体电路进行仿真.在电源电压1.8 V，输入信号频率为 0.75 ～1 kHz，幅值为 5 ～50 μV 的条件下，进行相位校准和频率调谐情况分析.图8证明了设计的锁定放大器能够从噪声中提取出加入的小信号，其中输入信号的幅值为5 μV，加入的白噪声约为1 Vrms，信号噪声比 SNR为5×106（约为－106 dB），信号完全被噪声淹没.图9中输入信号VIN的幅值从20 μV变化到5 μV，其输出信号 VOUT从257.2 mV 变化到67.9 mV，反之亦然.根据输入的交流信号的变化，实验结果证实了式（3）表达式.此外图中 VFT总是等于零，即0.9 V，因为整个系统由于反馈自行相位校准和频率调谐，再者PC、FT和QC模块的输出不受输入信号幅值变化的影响，而且“正交”同步解调也与信号的幅值变化无关，所以VPC的值不发生变化.图10反映了锁定放大器的相位自校准功能，输入信号幅值为20 μV时，初始相位为45°，输入信号幅值为5 μV时，令其初始相位为0°，两次输入的参考信号的相位都为0°，由于相位可实现自校准，若想输出 VPC的幅值为0.9 V，前100 ms内，移相器要移相135°，后100 ms内移相器需移相90°，前者大约经过 50 ms，VPC的值变为0.9 V，后者 VPC的值大约经过40 ms返回到0.9 V，而 VOUT的幅值也从257.3 mV上升到68 mV，校准成功.图11反映了输入信号幅值不变的情况下，频率从0.9 kHz变化到1 kHz，由于频率的自调谐功能，经过大概50 ms的时间，VFT信号又恢复到零值，即 0.9 V，输入信号的幅值也返回到 261.4 mV.图12反映了输入信号幅值变化的同时，频率也在变化，并且频率有了更大的跨度，从0.75 kHz直接变化到1 kHz，VFT和VOUT的值也能在很短的时间恢复到稳定状态.图13反映了输入信号频率为1 kHz，幅值为 5～50 μV情况下，其输出信号的测量值与理想值之间的线性误差，误差在允许范围内.图8 从噪声中提取信号图9 输入信号 VIN从20 μV变化到5 μV（反之亦然）图10 输入信号VIN45°相移，幅值从20 μV变化到5 μV图11 输入信号幅值20 μV不变，频率从0.9 kHz变化到1 kHz图12 输入信号幅值从50 μV变化到20 μV，同时频率从0.75 kHz变化到1 kHz 图13 输入输出曲线4 结语本文设计了一种应用于微弱信号检测的新型锁定放大器电路，该电路主要通过相敏检波电路对参考信号及被测信号两路同频同相信号的自相关特性来检测出微弱信号，所测的微弱信号的频率在0.75～1 kHz之间变化，幅度可以达到5～50 μV，整个系统通过反馈环路来实现输入信号与参考信号的相位校准，以及当输入信号频率发生变化时，整个系统能自行调整频率变化，不需要再手动改变或重新设置内部电路元器件的值，对以后模拟锁定放大器的发展提供了参考价值.参考文献【相关文献】[1] Bhagyajyoti.I.J，Sudheer.L.S，Bhas-kar.P，et al.Review on Lock-inAmplifier[J].International Journal of Science，Engineering Technol.Res.2012，1（5）：40-45[2] Hu T，Zhang D，Lei J，et al.A Weak Signal Detection System：Design andSimulation[C].IEEE International Conference on Information and Automation.IEEE，2015：1414-1418[3] Maya-Hernández P M，Sanz-Pascual M T，CalvoB.A 1.8V—0.18μm CMOS Lock-In Amplifier for Portable Applications[J].IEEE Transactions on Circuits and System，2012，7（10）：668-671[4] Marcellis A D，Ferri G，D’Amico A.One-Decade Frequency Range，In-PhaseAuto-Aligned 1.8V 2mW Fully Analog CMOS Integrated Lock-In Amplifier for Small／Noisy Signal Detection [J].IEEE Sensors Journal，2016，16（14）：5690-5701[5] Maya-Hernández P M，Sanz-Pascual M T，Calvo B.CMOS Low-PowerLock-In AmplifiersWithSignal Rectification in Current Domain[J].IEEE Transaction&Measurement，2015，64（7）：1858-1867[6] Marcellis A D，Ferri G，Mantenuto P，et al.A new single-chip analog lock-in amplifier with automatic phase and frequency tuning for physical／chemical noisy phenomena detection[C].IEEE International Workshop on Advance in Sensors and Interfaces.IEEE，2013：121-124[7] Gupta G，Tripathy M R.CMOS Instrumentation Amplifier Design with 180nm Technology[C].International Conference on Circuit，Power and Computing Technologies.IEEE，2015：1114-1116[8] Marcellis A D，Ferri G，Palange E.A fully analog high performances automatic system for phase measurement of electricaland optical signals[J].IEEE Transaction&Measurement，2015，64（4）：1043-1054[9] 张立.GMR生物传感器及其专用锁相放大器芯片的设计[D].成都：电子科技大学，2009。

用于微弱信号检测的锁定放大器的设计与实现

用于微弱信号检测的锁定放大器的设计与实现锁定放大器（lock-in amplifier）是一种用于微弱信号检测和信号处理的专用放大器。

锁定放大器的设计与实现需要考虑各种因素，包括放大器的噪声性能、放大器的频率响应和相位响应以及锁定放大器的操作原理。

本文将介绍锁定放大器的设计与实现，包括放大器的电路设计、噪声分析和性能评估。

1.锁定放大器的操作原理锁定放大器的基本原理是通过参考信号将待测信号与参考信号进行相乘，并将结果通过低通滤波器进行滤波，得到待测信号的幅值和相位信息。

锁定放大器的核心部分由乘法器、低通滤波器和反馈回路组成。

参考信号主要用来抑制噪声，增加信号与干扰的信噪比。

2.放大器的电路设计锁定放大器的电路设计需要考虑放大器的噪声性能和频率响应。

放大器的噪声性能可以通过选择合适的器件和电路结构来优化。

常见的放大器电路设计包括差动放大器、运算放大器、宽带放大器等。

放大器的频率响应应根据待测信号的频率范围来选择。

3.噪声分析噪声是锁定放大器中一个重要的性能指标，噪声可以从各个器件的噪声源和噪声系数来分析。

常见的噪声源包括热噪声、亚热噪声、1/f噪声等。

为了降低噪声，可以采用低噪声器件、合理的电路设计和滤波技术等。

4.性能评估性能评估包括增益、相位补偿、输入输出阻抗和频率响应。

增益是指待测信号经过放大器放大后的幅度变化，一般以分贝（dB）表示。

相位补偿是指待测信号经过放大器后的相位偏移，一般用相位差来表示。

输入输出阻抗是指放大器的输入阻抗和输出阻抗，一般要尽量匹配待测信号源或负载的阻抗。

频率响应是指放大器的对不同频率信号的放大程度，一般以频率响应曲线来表示。

5.实现与优化锁定放大器的实现与优化可以通过选择合适的器件、优化电路结构和滤波器设计来完成。

选择合适的器件可以在一定程度上提高放大器的性能指标，比如选择低噪声放大器可以降低噪声；优化电路结构可以提高放大器的增益和相位补偿性能；滤波器设计可以提高锁定放大器的频率响应。

TI杯锁定放大器的设计竞论文

2014 年重庆市 TI 杯模拟电子设计大赛竞赛论文
锁定放大器的设计
小组成员：
指导教师：学院：专业：
2014 年
Hale Waihona Puke 8 月 15 日锁定放大器的设计
摘要
本系统是基于锁定放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的有效值。该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。其中纯电阻分压网络用来生成夹杂噪音的微小信号，微弱信号检测电路完成微小信号的检测，显示电路则将采集到的电压值通过计算，显示在液晶屏上。将参考信号经过移相器后，接着通过比较器产生方波去驱动开关型乘法器 AD835，本系统是以相敏检波器件为核心，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号，将该直流信号通过 AD 采集 430 单片机处理后，液晶显示出来。经最终的测试，本系统能较好地 430 单片机完成微小信号的检测。关键词：微弱信号；锁相放大；MPS430；带通滤波
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2014 年重庆市 TI 杯模拟电子设计大赛竞赛论文
通过对上述两个方案的讨论比较可知，采用方案二比较可行。 1.4 相敏检波论证与选择在整体分析了整个系统模块后，我们发现本题设计的关键在于相敏检波模块的设计。所以在此着重对相敏检波进行论证和选择。方案一相加式相敏检波相加式相敏检波，其信号相加只是就其电路形式而言，其实质是利用参考信号去控制开关器件的通断，从而实现输入信号与参考信号的相乘。输入信号与参考信号以相加减的方式加到同一开关器件上。利用相加式相敏检波的关键在于参考信号 uc 的幅度须远大于幅值信号 u s 的幅值，从而使开关器件的通断完全由参考信号决定。方案二开关式相敏检波开关式相敏检波，其输入端同样是输入信号 u s 和开关信号 uc 。开关信号 uc 为方波，利用其翻转的电平这一特性实现相敏检波。开关式相敏检波的电路较相加式相敏检波的电路要简单些。方案三乘法器式相敏检波乘法器式相敏检波是目前常用的相敏检波方式。其技术成熟，可靠，性能稳定。模拟乘法器利用锁相放大的原理对强噪声背景下的小信号进行相干检测，能够实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。乘法器式相敏检波与开关式相敏检波比较，乘法器式相敏检波性能更为稳定。采用 AD835 能够实现本方案。通过对上述三个方案的讨论比较可知，采用方案三。 1.5 低通滤波器论证与选择方案一：使用由 RLC 网络组成的无源高阶巴特沃斯滤波器。其通带内相应最为平坦，衰减特性和相位特性都很好，但是随着频率的变化，对输入信号的幅度有不同的衰减，而且受环境影响比较大，不宜采用。方案二：使用 RC 有源二阶滤波器。OPA277 是一种高精密放大器，失调电压小、带宽增益积大、开环增益大、高共模抑制比、无相位反转、使用简单。通过和 RC 的相互连接，能够实现通带范围比较窄的二阶有源滤波器。通过对上述两个方案的讨论比较可知，采用方案二。

锁定放大器的设计(最全)word资料

nullnull测信号为 1mV 时的显示值噪声信号为 1mV，频率为 2kHz，待测显示值为1.032mV，误差为 3.2% 信号为 1mV 时的显示值噪声信号为 10mV，频率为1050Hz，待显示值为 1.122mV，误差为 12.2% 测信号为 1mV 时的显示值噪声信号为 10mV，频率为 2kHz，待测显示值为 1.092mV，误差为 9.2% 信号为 1mV 时的显示值 4.3 测试结果分析测试结果表明本系统采实现了在有干扰信号的情况下的已知频率和幅度微小信号的测量。

误差基本在 10%以内，能够较好的达到要求的功能。

5 结束语本系统能够很好地完成基础部分和大部分发挥部分，系统电路中相敏检波器能够工作在信号频率缓慢变化时有效检测出有用信号。

但由于时间仓促，没有时间进一步改进系统，不过这三天依然学到了很多东西，我们付出了很多，也收获了不少。

福州大学物信学院《模拟电子技术课程设计》设计报告组别：第2组姓学号：111000833 同组姓名：石泽伟专年级：10级指导老师：屈艾文实验时间：《模拟电子技术课程设计》音响放大器设计一、设计目的满足技术指标的音频放大器，实现话筒扩音和音频放大的功能。

二、设计指标额定功率Po≥0.3W(γ <3%)；负载阻抗RL=8Ω；截止频率fL=50Hz，fH=20kHz；音调控制特性 1kHz处增益为0dB，125Hz和8kHz处有±12dB的调节AVL=AVH≥20dB；话放级输入灵敏度 5mV；输入阻抗Ri>>1KΩ。

三、设计器材小喇叭扬声器8Ω/0.5w，LM386，LM324，咪头，单面万能板单孔100mm×150mm，YB4325示波器，EE1641B1型函数信号发生器，DA—16B交流毫伏表，+9V电《模拟电子技术课程设计》音响放大器设计四、电路图及原理分析1、功率放大器设计Av4=2R7/(R5+R6//R)=31.22、音调控制器设计f（Lx）=125Hz，f(Hx)=8k，x=12Dbf(l2)=f(Lx)*2^(x/6)=500Hz，f(L1)=f(L2)/10=50Hz；f（H1）=f（Hx）/2^(x/6)=2kHz；f（H2）=10f（H1）=20kHz。

基于FPGA的数字式锁定放大器设计

基于FPGA的数字式锁定放大器设计
杨晨曦
【期刊名称】《电子制作》
【年(卷),期】2022(30)10
【摘要】在微弱信号检测领域,锁定放大器的检测性能非常的优秀,应用十分广泛。

而数字式锁定放大是将锁定放大所需要的各种滤波、相敏检测等功能都由数字芯片进行实现。

本设计通过A/D转换器实现待测信号模数转换,然后送入FPGA对信号进行处理,最终输出待测信号的幅度和相位信息。

【总页数】3页(P3-5)
【作者】杨晨曦
【作者单位】电子科技大学电子科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN7
【相关文献】
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