2014年C题(锁定放大器)
锁定放大器原理实验
锁定放大器原理实验一、实验目的l 、了解相关器的原理，测量相关器的输出特性；2、了解锁定放大器的原理及典型框图；3、根据典型框图，组装锁定放大器；熟悉锁定放大器的使用方法二、实验原理实际测量一个被测量时，无用的噪声和干扰总是伴随着出现，影响了测量的精确性和灵敏度。
特别当噪声功率超过待测信号功率时，就需要用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原始信号。
这些检测仪器是根据改进信噪比的原则设计和制作的。
可以证明，当信号的频率和相位己知时。
采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大，微弱信号检测的著名仪器锁定放大器，就是采用这一技术设计与制造的。
锁定放大器是以相干检测技术为基础，其核心部分是相关器，基本原理框图如图1所示。
而锁定放大器的主要由三部分组成，即：信号通道(相关器前那一部分)、参考通道和相关器(包括直流放大器)。
首先介绍相关器：它是锁定放大器的核心部分，其基本原理如下：1、相关接收原理微弱信号检测的基础是被测信号在时间轴上具有前后相关的特性。
相关函数是表征原函数的线形相关得度量。
因此，直接实现计算相关函数，就可以实现从噪声中检测被淹没的信号。
利用随机过程的自相关函数来检测信号称为自相关接收：利用两个随机过程得互相关函数来检测信号称为互相关接收。
由于自相关接收的抗干扰能力没有互相关接收强，并且实现起来也比较复杂，因此，在微弱信号检测中，几乎都采用互相关接收。
互相关接收对于已知为周期性的信号的检测十分有用。
如图2所示，输入乘法器的两路信号中，e 1(t)为被检测信号，是V A (t)与背景信号V n (t)的叠加，e 2(t)为在接收设备中设法产生的与被检测信号V A (t)同步的参考信号V B (t)。
将参考信号与杂有噪声的输入信号进行相关，得到被测信号的相关函数，就代表了被测信号。
()()()t V t V t e n A +=1图1.锁定放大器的基本原理图其相关函数为：12121()lim ()()21lim [()()]()2()()T TT T A n B TT AB AB R e t e t dt T V t V t V t dt T R R t ττττ−→∞−→∞=−=+−=+∫∫ 由于噪声V n (t)与参考信号V B (t)的相关性，R NB (τ)=0，因此有()()ττAB R R =12利用互相关接收的原理可以构成锁相放大器的核心电路一相关器。
锁相放大器
锁相放大器————————————————————————摘要锁定放大器（LIA）是一种检测微弱信号的专用电路。
它能在较强干扰背景条件下，对特定频率信号进行有效测量。
系统是以平衡调制器AD630构成的相敏检波电路为核心，由纯电阻分压模块、被测微弱信号与背景噪声叠加的加法器及交流放大器模块、参考信号整形移相模块、具有锁相功能的微弱信号检测模块、单片机有效值检测显示模块等组成。
被测微小信号与背景噪声叠加后，进行交流放大和带通滤波器与具有参考信号在相敏检波器中叠加，相敏检波器可以在背景噪声中获取与参考信号同频率的有用信号并整流输出，然后对该输出信号进行低通滤波和直流放大后，由单片机AD检测并在液晶上显示出来。
整形移相模块可以用来调整参考信号与被测信号的相位，使之同相。
该系统具有灵敏度高、测量较准确等优点。
关键字：锁相放大器，相敏检波器，移相，有效值检测目录一、系统方案选择与论证............... 错误!未定义书签。
1.2设计思路与框图 0二、系统分析与计算 (1)2.1 纯电阻分压电路 (1)2.2 加法器 (1)2.3 交流放大器 (2)2.4 带通滤波器 (3)2.5 相敏检波器 (4)2.6 低通滤波器 (4)2.7 参考通道 (5)2.8 输出显示.................... 错误!未定义书签。
2.8.2 程序流程图........... 错误!未定义书签。
三、测试方案与测试结果 (6)3.1检测方法与结果 (6)3.2测试结果分析 (9)四、实物演示......................... 错误!未定义书签。
六、参考文献 (9)于负半周时，场效应管导通，差分放大器相当于一个反相比例放大电路，输出为-S(t)，这样在输出端看到的就是一个直流信号，类似于S(t)经过整流后的效果。
方案二：数字相敏检波器图3 数字相敏检波该方案其实质相当于一个乘法器和一个积分器（如图3）。
(完整版)锁相放大器的工作原理
锁相放大器的工作原理一．什么是锁相放大器锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。
它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。
因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。
此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。
锁相放大器实物图二．锁相放大器的构成锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。
在外差式振荡技术中被称为本地振荡（Local Oscillation）的、用于做乘法运算的信号，锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。
锁相放大器能够（从被测量信号中）检测出与这个参照信号频率相同的分量。
在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器（LPF）。
其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。
在频率域中，如下图所示。
锁相放大器的基本组成三．锁相放大器的应用锁相放大器可用于检测到在杂噪信号中被埋没的微弱的信号。
采用选频放大技术，使放大器的中心频率f 0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。
后来发展了锁相放大技术。
它利用等测信号和参与信号的相互关检测原理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。
目前，锁相放大技术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。
应用一:用于测量现场尘粒浓度。
尘粒浓度测量仪采用光电收发对称式探测头，能够对温度、振动、器件老化等因素进行抑制。
光信号在烟道中的衰减与烟道中尘粒浓度关系遵从朗伯-比尔定律。
当烟道内尘粒浓度增大到一定程度，使得光信号大幅衰减，环境杂散光等成为不可忽视的噪声信号。
应用二：用于红外线温度传感器的低温范围拓展。
锁相放大器原理及仿真
锁相放大器的使用目录第一章选题背景1.1 背景说明 (3)1.2 选题依据 (3)1.3 本文工作 (4)第二章锁相放大器的原理 (5)第三章研究与分析 (8)3.1 参考信号产生的方法比较与选择 (8)3.2 前端放大器的设计 (8)3.3 移相方法比较与选择 (8)3.4 相敏检波器的方法比较与选择 (8)第四章系统设计 (10)4.1 总体设计 (10)4.2 硬件设计 (11)4.2.1 前置放大器的设计 (11)4.2.2 移相电路的设计 (12)4.2.3 相敏检波的设计 (13)4.2.4 低通滤波器的设计 (14)4.3 软件设计 (15)第五章系统测试 (16)第六章附录 (18)总结 (26)致谢 (27)参考文献 (28)第一章选题背景背景说明1962年美国 EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身 )的第一台锁相放大器 (Lock-in Amplifier，简称 LIA)的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，极大地推动了基础科学和工程技术的发展。
目前，微弱信号检测技术和仪器的不断进步，已经在很多科学和技术领域中得到广泛的应用，未来科学研究不仅对微弱信号检测技术提出更高的要求，同时新的科学技术发展反过来促进了微弱信号检测新原理和新方法的诞生。
早期的 LIA是由模拟电路实现的，随着数字技术的发展，出现了模拟与数字混合的 LIA，这种LIA只是在信号输入通道，参考信号通道和输出通道采用了数字滤波器来抑制噪声，或者在模拟锁相放大器（简称 ALIA）的基础上多了一些模数转换（ ADC）、数模转换（ DAC）和各种通用数字接口功能，可以实现由计算机控制、监视和显示等辅助功能，但其核心相敏检波器 (PSD)或解调器仍是采用模拟电子技术实现的，本质上也是 ALIA。
直到相敏检波器或解调器用数字信号处理的方式实现后，就出现了数字锁相放大器（简称 DLIA），DLIA比 ALIA 有许多突出的优点而倍受青睐，成为现在微弱信号检测研究的热点，但是在一些特殊的场合中， ALIA仍然发挥着 DLIA不可替代的作用。
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。
2014年《微弱信号检测》复习参考
2014年硕士研究生考试-微弱信号复习题参考一、简答1、白噪声的特点。
白噪声的功率谱密度为常数，各种频率成分的强度相等；理想的白噪声具有无限带宽，因而能量是无穷大，实际上，我们将有限带宽的平整讯号视为白噪声，使得在数学分析上更方便；白噪声在数学处理上很方便，是系统分析的有力工具。
2、自相关函数的特点（1）对实信号，自相关函数是τ的偶函数，即)()(ττ-=x x R R（2）当0=τ时，)(τx R 具有最大值，即)()0(τx x R R ≥（3）)0(x R 反映随机噪声的平均功率，即22)]([)0(x t x E R x ==（4）如果)(t x 包含某种周期性分量，则)(τx R 包含同样周期的周期性分量。
若)(t x 是周期为T 的随机信号，即)()(T t x t x +=，则)()(T R R x x +=ττ也是周期为T 的函数。
（5）互不相关的两个随机噪声之和的自相关函数等于两个随机噪声自相关函数之和，即如果)()()(t y t x t z +=，则)()()(τττy x z R R R +=。
（6）对于平稳的随机噪声，)(τx R 仅与时间差τ有关，而与计算时间的起点无关。
（7）当∞→τ时，自相关函数反映随机噪声直流分量的功率，即2)(x x R μ=∞。
3、小信号检测方法中，调制放大与解调的原理。
调制过程一般用变增益放大器或非线性放大器实现两个信号的相乘过程，得到的是两个信号的和频分量和差频分量。
也就是说，调制输出信号的频谱集中在载波频率的两边，可以对其进行交流放大。
解调过程可以用检波器或相敏检测器实现，该过程是把放大后的调制信号再和载波信号相乘一次，实现频谱的第二次搬移。
然后利用低通滤波器滤除高频分量和附加噪声，即可得到放大的被测信号。
4、抑制各部分电路经地线相互耦合的干扰噪声的常用措施。
①选用低功耗器件，减少流经地线的电流；②在高噪声电路中增设电源滤波电容，使其流经地线的电流变得平滑；采用横截面积较大的地线，以减少地线阻抗；④根据电路特点选择合适的接地方式。
4.锁定放大器
1 2R0C0则： Nhomakorabea2
f N 8 f N1
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（6）积分时间常数Tc=R0C0的选择
相关器的等效噪声带宽由积分器的时间常数 Tc=R0C0决定，Tc越长，等效噪声带宽越窄， 抑制噪声的能力也越强。 快速信号的响应要求： 积分时间常数T越长，响应速度越慢， 所以Tc的选择有一定的范围。 即有一个上限和下限值。
6
●性能优异的锁定放大器能把幅值小到 0.1nV ， 且 信 噪 比 小 于 1/103 的 周 期 信 号 检 测出来，并放大到10V。 锁定放大器实际上是完成了窄带放大并检 波的功能。 本章介绍锁定放大器的结构和工作原理。
7
§4.2 典型锁定放大器的原理框图
●典型的锁定放大器的原理框图：
相关器
1 (2n
1)
co
s{[ (2n 1)R ]t 1 {[ (2n 1)
R ]R0C0
2n1} }2
co s{[
(2n
1) R ]t
2n
1
}
1 {[ (2n 1) R ]R0C0 }2
e t R0C0
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2n1
)
1 {[ (2n 1)R ]R0C0}2
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锁定放大器C题完整版本
c题：锁定放大器的设计摘要：此设计用于检测微弱信号。
分析了微弱信号检测的原理，并给出了实现方案。
系统分为两路通道，一路为信号通道对混入的噪声和干扰频率进行交流放大和带通滤波；另一路为参考信号通道，采用同频率待测信号进行相位调整。
使其参考信号与微弱信号产生相位差，再将两路信号送入相敏检波器，低通滤波后提取需要的信号。
本次设计以STM32做成的单片机实现按键步进移相，从而产生参考信号与待测信号之间的相位差，以AD630进行相敬检波去实现微弱信号的处理，再以巴特沃兹低通滤波达到信号从噪声背景中提取出来的功能。
关键词：微弱信号，锁定放大器，相敬检波，STM32,滤波引言：微弱信号是指深埋在背景噪声中的极其微弱的有用信号。
随着科学技术的不断发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测（如、弱光、微温差、微振动、弱磁、微电流等）愈来愈受到人们的重视。
而对于众多的微弱量一般都通过各种传感器、放大器作非电量转换的，使检测对象变换成可测的电量。
但微弱检测本身的涨落，以及传感器的优劣与检测系统的噪声影响，从而影响总的检测效果。
口前，相干检测技术是使信噪比改善最大，恢复信号原形最佳的技术，同时也是众多检测技术中成熟的技术。
目录一、方案论证与比较 (1)1.1交流放大器的方法与比较 (1)1.2带通滤波器的设计 (1)1.3触发整形电路的选择 (1)1.4移相方法比较与选择 (1)1.5相敏检波器的比较与选择 (2)1.6低通滤波器类型选择 (2)二、理论分析与参数的计算 (2)2.1信号通道分析 (2)2.2参考通道分析 (3)2.3相敏检波电路分析 (3)三、电路设计与分析 (4)3.1交流放大电路 (4)3.2带通设计电路 (5)3.3触发整形设计电路 (5)3.4移相电路设计原理 (5)3.5相敏检波电路 (6)3.6低通滤波电路 (6)四、测试方法和数据 (7)4.1元器件与测试仪器 (7)4.2测试数据 (7)4.3测试波形 (8)五、结果分析与总结 (9)方案论证与比较1.1交流放大器的方法与比较方案一：使用可编程运放PGA202, PGA203通过增益的不同组合实现对输入信号范围10uV〜ImV的选择性放大，但是编程比较复杂。
16、锁相技术
锁相技术一、引言锁相，就是实现两个电信号相位同步的自动控制。
锁定放人器(LIA —L0ck —in AmDlmer)是锁相技术在微弱信号检测中的应用，本实验将研究锁定放大器的原理和应用。
实验的目的要求是：l 了解锁定放大器的工作原理，着重掌握相关器的原理。
2学会使用锁定放大器，并用它测量p ．n 结势垒电容。
二、原理(一)锁定放大器的基本原理本实验采用NL 一1锁定放大器，其原理框图见图12．k 锁定放大器是一种交流电压表，它能精确地测定深埋在噪声之中的周期重复信号的幅值及相位，这种抑制噪声的作用主要是通过相关器实现的，使用时，除要输入待测信号外，还要输入参考信号。
图12—1 NL 一1锁定放大器原理框图1、相关器 锁定放大器中的相关器如图12—2所示。
它由相乘电路和低通滤波器组成，相乘电路有许多形式，如开关型、电流控制型等等，NL 一1锁定放大器采用开关型。
低通滤波器具有压缩噪声带宽，让直流信号通过的作用，它抑制噪声的能力可以用“等效噪声带宽”图12—2相关器这一参数来描述，可以求出，图12—2中的低通滤波器的等效噪声带宽f n=1144RC T= 低通滤波器的时间常数T=Rc ，T 越长则f n 越小，但实际上由于漂移等问题，T 是不能太长的。
下面是相关器的工作原理。
相关器采用的是所谓相关接收技术。
设输入信号为()Vi t ，参考信号为()Vr t ，由于低通滤波器实际上是一个积分器，因此相关器的输出0V 是()Vi t 和()Vr t 乘积，再对时间积分，并取平均值有0V = ()1lim ()2T i t T V t Vr t dt T τ→∞--⎰ (12-1)式中t 是参考信号相对于输入信号的延迟时间，积分时间上限T 即低通滤波器的时间常数，通常把式(12．1)所表示的0V 称为()Vi t 和()Vr t 的相关函数，实现求相关函数的电子线路称为相关器或相关接收器。
下面的讨论会更清楚相关器的作用。
2014TI杯C题 锁定放大器报告-初稿
2014TI杯C题终极资料1 参考信号产生的方法比较与选择参考信号（Reference Signal,RS）,就是常说的“导频”信号，是由发射端提供给接收端用于信道估计或信道探测的一种已知信号。
要产生一定频率范围的正弦波参考信号主要有三种方法：通过C51控制MAX038产生正弦波，或通过C51控制DDS产生正弦波,直接由C51产生正弦波。
三者比较起来，由于单片机直接控制输出正弦波，电路简单便于实现，调试容易，所以在本设计中采用单片机来作为产生参考信号的波形发生器。
2 前端放大器的设计方案一：使用可编程运放PGA202,PGA203通过增益的不同组合实现对输入信号范围1uV～100mV的选择性放大，但是编程比较复杂。
方案二：使用常用运放OPA2335，OPA132的组合通过开关控制实现放大倍数为10，1000,100000的变化，对输入信号范围1uV～100mV分别进行不同选择的放大。
电路设计和使用都比较简单。
两者比较起来，由于后者电路设计和使用都比较简单，所以本设计中采用开关控制对不同信号选择性放大。
3 移相方法比较与选择方案一：数字移相：数字移相可以在4个象限内进行0～89°的调节，合起来即实现了0～360°的移相，由集成芯片控制频率和相位预制，如用CD4046锁相环组成，但是增加了电路的复杂度，成本也很高；方案二：模拟移相：模拟移相电路采用阻容式移相电路。
优点是电路简单可靠，缺点是相角可调范围只有180°，但是可以通过级联的方式使相移范围达到360°。
两者比较起来，由于后者电路简单可靠，所以本设计中采用模拟移相。
4 相敏检波器的方法比较与选择方案一：集成模拟乘法器：模拟乘法器调试复杂，价格较高，且要求保证动态范围大，线性好等，较难实现；方案二：开关式乘法器：开关式乘法器具有价格低廉，基本无需调试等优点，是一种较为实用的相敏检波器。
两者比较起来，由于后者具有价格低廉，基本无需调试等优点，所以本设计中采用开关式乘法器。
2014电子设计竞赛题目全(本科组)
2014年TI杯大学生电子设计竞赛题A题：四旋翼飞行器1.任务设计制作一架能够自主飞行的四旋翼飞行器。
2.要求四旋翼飞行器能够完成以下飞行动作：（1）飞行器能够根据起飞前预置的指令起飞，飞离地面高度应超过30cm，飞行距离（水平）应超过60cm，然后飞行器应能平稳降落。
（30分）（2）飞行器能够根据指定（键盘设定）的飞行高度及降落地点（方向及距离）连续稳定地完成起飞、指定高度水平飞行、平稳降落等动作。
（20分）（3）飞行器能够根据起飞前预置的指令垂直起飞，起飞后能够在50cm以上高度平稳悬停5s以上，然后再平稳缓慢降落到起飞地点；起飞与降落地点水平距离不超过30cm。
（30分）（4）其他自主发挥设计的飞行动作。
（20分）（5）设计报告（20分）项目主要内容分数系统方案方案比较，方案描述 5设计与论证飞行器姿态测量方法飞行控制器控制方法与参数计算8测试测试方法与测试结果 5设计报告结构及规范性摘要，正文结构完整性、内容规范性 2小计203.说明（1）飞行器的姿态检测及飞行控制必须使用TIV A M4、C2000或MSP430等系列控制器。
（2）飞行器在完成每一项飞行动作期间不得以任何方式人为干预，如遥控等。
（3）飞行器的尺寸可自行选定。
（4）飞行方向以正北方向为0°、东北方向为45°、正东方向为90°等，以此类推；距离的单位为厘米（cm）。
（5）指定的降落地点是指降落地点距起飞地的水平距离及方向。
（6）平稳降落是指在降落过程中无明显的跌落、弹跳及着地后滑行等现象。
（7）能够完成要求（2）时，要求（1）可以免测。
（8）为确保安全，飞行器应在安全网中或在系留方式下工作（即以绳索将飞行器拴在地面固定物上）。
2014年TI 杯大学生电子设计竞赛题B 题：金属物体探测定位器4. 任务设计并制作一个可自主移动的金属物体探测定位器（以下简称探测器），可探测置于玻璃板下的金属物体并给出定位指示。
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。
锁定放大器(2014电设湖北赛区c题)
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，用来检测在强干扰信号背景下已知频率的微弱正弦波信号的有效值，核心是锁定放大器的设计。
该系统由π型衰减网络、加法器、微弱信号检测电路和显示电路组成。
其中加法器和π型衰减网络生成所需微小信号，微弱信号检测电路和显示电路完成微小信号的检测并显示在液晶屏上。
本系统是以锁定放大器为核心，将经衰减网络衰减产生的正弦参考信号经过放大整形后，接着通过由FPGA与MSP430组成的数字移相网络产生相位步进的方波去驱动开关乘法器，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号，将该直流信号送入单片机处理后，液晶显示出来。
经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。
关键词：微弱信号，可调增益交流放大器，数字移相网络，ADS11181系统方案1.1方案论证与比较1.1.1 微信号交流放大电路方案一：采用固定增益的两级放大电路，第一级40倍，第二级50倍，该增益对于28uv pp-2.8mv pp的微小信号具有较好效果，但当噪声信号混合后，2000倍的放大将会导致部分范围信号截止失真从而无法采集真实的信号有效值，无法达到要求，所以该方案不可行。
方案二：采用增益可调的两级放大电路。
根据题目要求，需要放大的有三种不同的信号S(t),2S(t)及11S(t)。
由于信号大小范围不同，所以选取增益分别为2000和200的放大比，并由播码开关控制反馈电阻的接通从而控制增益，这样所有要求的小信号经放大后均不会出现失真。
方案二相对于方案一具有较好的理论可行性，且能够通过对小信号恰当的放大减小最后的测量误差，能够满足系统要求，故选择方案二。
1.1.2移相网络设计因为检测电路选择了锁相放大器，而移相网络是锁相放大器中的一部分，在此进行分析。
方案一：采用全通滤波器模拟移相电路。
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。
方案二：采用数字移相方法。
2014年辽宁省TI杯大学生电子设计竞赛C题锁定放大器设计报告
2014年TI杯大学生电子设计竞赛题C题：锁定放大器的设计设计报告摘要本作品基于锁定放大器设计，由前级放大模块,带通滤波器模块，相敏检波模块，触发整形模块和单片机显示模块组成，具有微弱信号锁定放大功能。
在前级放大电路中，信号发生器经过分压网络得到交流放大器的信号来源。
信号通过带通滤波器，加上参考通道得到的方波，一起输入到相敏检波电路，得到整流波形，经过低通滤波器，得到变化极其缓慢的直流信号，经过单片机显示。
本作品进行合理的级联和阻抗匹配，加入单片机设计的示波器显示，从而得到一个完整的锁定放大器系统。
而且综合应用了电容去耦、滤波、旁路电容等抗干扰措施以减少放大器的噪声干扰。
关键词：分压网络交流放大器相敏检波触发整形示波器一、总体方案设计1.1 系统总体方案根据题目要求如图1，要求系统分为三大部分：第一部分信号通道，实现对信号的放大，去噪。
第二部分为参考通道，通过移相器和比较器，得到方波。
第三部分为检波电路，得到信号幅值，并显示。
图1 锁定放大器基本组成结构框图图2 系统方案框图本方案系统总体框图如图2所示，系统由加法器、衰减器、前置放大电路、带通滤波器、同相电路、反相电路、移相器、开关电路和低通滤波器构成；其中由同相放大电路构成的加法器将噪声信号加到待测信号中，使得信号湮灭在噪声中，然后经过衰减器衰减100倍以上，送到由放大电路、带通滤波、同相、反相、移相、比较和低通滤波器构成微信号检测电路中。
本系统以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相电路和比较器输出方波驱动开关管乘法器，输出直流信号然后通过单片机A/D转换，最后在液晶上显示出来。
1.2 系统方案设计论证1.2.1 微信号放大设计本题目要求采用锁相放大器检测小信号，噪声强、信号弱，是锁相放大器的工作情况，对此，我们要采用低噪声的精密放大运算放大器OPA2376。
前段放大电路需要有足够的放大倍数，来保证信号的采集。
对此，本方案采用了放大60dBde的设计，以期达到设计需求。
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。
锁定放大器C题完整版本
C题：锁定放大器的设计摘要：此设计用于检测微弱信号。
分析了微弱信号检测的原理，并给出了实现方案。
系统分为两路通道，一路为信号通道对混入的噪声和干扰频率进行交流放大和带通滤波；另一路为参考信号通道，采用同频率待测信号进行相位调整。
使其参考信号与微弱信号产生相位差，再将两路信号送入相敏检波器，低通滤波后提取需要的信号。
本次设计以STM32做成的单片机实现按键步进移相，从而产生参考信号与待测信号之间的相位差，以AD630进行相敏检波去实现微弱信号的处理，再以巴特沃兹低通滤波达到信号从噪声背景中提取出来的功能。
关键词：微弱信号，锁定放大器，相敏检波，STM32，滤波引言：微弱信号是指深埋在背景噪声中的极其微弱的有用信号。
随着科学技术的不断发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测(如、弱光、微温差、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视。
而对于众多的微弱量一般都通过各种传感器、放大器作非电量转换的，使检测对象变换成可测的电量。
但微弱检测本身的涨落，以及传感器的优劣与检测系统的噪声影响，从而影响总的检测效果。
目前，相干检测技术是使信噪比改善最大，恢复信号原形最佳的技术，同时也是众多检测技术中成熟的技术。
目录一、方案论证与比较 (1)1.1 交流放大器的方法与比较 (1)1.2 带通滤波器的设计 (1)1.3触发整形电路的选择 (1)1.4 移相方法比较与选择 (1)1.5 相敏检波器的比较与选择 (2)1.6 低通滤波器类型选择 (2)二、理论分析与参数的计算 (2)2.1 信号通道分析 (2)2.2 参考通道分析 (3)2.3 相敏检波电路分析 (3)三、电路设计与分析 (4)3.1交流放大电路 (4)3.2 带通设计电路 (5)3.3 触发整形设计电路 (5)3.4 移相电路设计原理 (5)3.5 相敏检波电路 (6)3.6 低通滤波电路 (6)四、测试方法和数据 (7)4.1 元器件与测试仪器 (7)4.2 测试数据 (7)4.3 测试波形 (8)五、结果分析与总结 (9)一、方案论证与比较1.1 交流放大器的方法与比较方案一：使用可编程运放PGA202,PGA203通过增益的不同组合实现对输入信号范围10uV～1mV的选择性放大，但是编程比较复杂。
锁存放大器报告刘垚圻张森尹楚君
2014年TI杯大学生电子设计竞赛题目：锁相放大器学校：天津工业大学指导教师：李光旭组别：C题锁定放大器设计平台：MSP430f149参赛队成员名单：姓名学校学院学历邮箱张森天津工业大学电子与信息工程大一1820764159@ 尹楚君天津工业大学电子与信息工程大一1076281053@ 刘垚圻天津工业大学电子与信息工程大一619564492@2014年TI杯大学生电子设计竞赛C题：锁定放大器的设计本设计以TI的msp430F149为核心板，采用锁相放大的方式设计并制作了一套微弱信号检测装置，利用高精度、宽工作温度、低功耗放大器opa227TL082,OP07,LF353等芯片实现各个电路的功能，用以检测在噪声背景下已知频率微弱正弦波信号的幅度值，并在液晶屏上数字显示出所测信号相应的幅度值。
度高。
关键词：噪声；微弱信号；锁相放大；msp430F149；Abstract:This design is based on MSP430F149of TI core board,usinga lock-in amplifier technique designed and produced a weaksignal detection device,We choose high-precision,wide temper ature operating range,low-power amplifier OPA2227,TL082,OP07,LF 353to measure the known frequency sine wave signal amplit ude values of the weak in the noise background,and showsthe measured signal amplitude of the corresponding value inthe liquid crystal screen.Keywords:MSP430F149;weak signal detection;lock-in-amplifier;1总设计思路首先正弦波信号源产生的信号与干扰源经OP07搭建的加法器相加，保证了输出较为精度；之后经过纯电阻分压网络衰减，进入微弱信号检测电路；微弱信号检测电路包括前置交流放大器，带通滤波器，相敏检波器，低通滤波器以及由移相器和比较器构成的参考通道，OPA2277、LF353、OPA227、OPA227、LM358等芯片具体实现；最后的检测及显示电路由MSP430的内置AD及1602液晶共同实现。
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2014年全国大学生电子设计竞赛
【本科组】
锁定放大器（C题）
锁定放大器（A题）
摘要：本文设计的锁定放大器输出单元电路和锁定放大器显示单元电路两大部分组成。
锁定放大器输出单元电路由纯电阻分压网络、交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通放大器、直流放大器、触发整形电路、移相电路和方波驱动电路构成。
锁定放大器显示单元电路由有效值检测电路、A/D转换模块、单片机和OLED显示模块组成。
本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过整形移相后，通过比较器产生方波去驱动二选一模拟开关74HC4053，通过低通滤波器输出直流信号并通过直流放大器进行放大，该直流信号经过有效值检测电路后送入A/D转换模块。
单片机负责读取A/D转换的数据，并显示在OLED上。
经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。
关键词：锁定放大器；相敏检波；移相；带通滤波器；低通滤波器；A/D转换
1系统方案
1.1方案论证与比较
1.1.1 纯电阻分压网络
方案一：采用电阻串联分压，电路简单。
方案二：采用∏型网络，∏型网络性能较好，适合在高频的条件下工作本题目要求的电压范围较小，故采用简单电路串联来作为分压网络既可以达到要求。
1.1.2移相电路设计
方案一：采用全通滤波器模拟移相电路，一阶全通滤波器的移相范围接近180度，正好可以满足本系统的指标要求。
方案二：采用数字移相方法，数字移相可以在4个象限内进行0～89°的调节，合起来即实现了0～360°的移相，由集成芯片控制频率和相位预值，如用CD4046锁相环组成。
方案一与方案二相比，电路简单可靠，且方案二增加了电路的复杂度，成本也很高，故选择方案一。
1.2总体方案论述
综上所述，本系统总体框图如图1所示，系统由锁定放大器输出单元电路和锁定放大器显示单元电路两大部分组成。
锁定放大器输出单元电路由纯电阻分压网络、交流放大器、带通放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通放大器、直流放大器、触发整形电路、移相电路和方波驱动电路构成。
锁定放大器显示单元电路由有效值检测电路、A/D转换模块、单片机和OLED显示模块组成。
图1 系统总体框图
2 理论分析与计算
2.1 锁定放大器输出单元电路
该单元电路利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频、同相的噪声分量有响应，因此它能大幅度抑制噪声信号，提取出有用信号。
一般锁相放大器具有极高的放大倍数，若有辅助前置放大器，增益可达220dB ，能检测极微弱信号交流输入、直流输出，其直流输出电压正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。
由此可见，锁相放大器具有极强的抗噪声能力。
它和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的放大，而是把交流信号放大并变成相应的直流信号。
2.2 相敏检波器分析
相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器，本设计采用开关式乘法器。
相敏检波器（PSD ）的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波，当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大。
其中图2为相敏检波器的基本框图。
图2 PSD 基本框图
工作过程如下：设输入信号为0()cos()s x t V t ωθ=+。
参考输入()r t 时幅度为r V ±的方波，其周期为T ，角频率为02/T ωπ=，根据傅里叶分析的方法，这种周期性函数可以展开为傅里叶级数
0001
1
()cos sin m m m m r t a a m t b t ωω∞
∞
===++∑∑
可得()r t 的傅里叶级数表示式为
1
014(1)()cos[(21)]21
n r
n V r t n t n ωπ+∞
=-=--∑ 1
1
011
22(1)(1)()()()cos[(22)]cos(2)21
21n n s r
s r p n n V V V V u t x t r t n t n t n n ωθωθπ
π++∞∞
==--==
--++--∑∑ 上式右边第一项为差频项，第二项为和频项。
经过LPF 的滤波作用，1n >的差
频项及所有的和频项均被滤除，只剩1n =的差频项为
2()cos s r
p V V u t θπ
=
当方波幅度1r V =时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当()r t 为1+时，电子开关的输出连接到()x t ；当()r t 为1-时，电子开关的输出连接到()x t -，这时LPF 的输出为
2()cos s
o V u t θ
π=
当经过开关乘法器，角度之差为0时，输出信号最大。
3 电路与程序设计
3.1 电路设计
3.1.1穿电阻分压网络
分压采用直接电阻分压即可获得1/100000倍以上的分压，为了获得较好的分压结果，R1、R2均采用精密电阻，并且为了保证分压出来的微弱信号不受前后级电路的影响，加入电压跟随其电路，具体电路如图3所示。
图3 纯电阻分网络
3.1.2交流放大器
为了使微弱检测电路的输入阻抗≥1MHz ，所以它的第一级为同相放大电路，则它的输入阻抗至少大于1MHz ，采用两片INA118作为运放放大10000倍，
INA118的放大倍数501K
GB RG
=+，所以第一级放大100倍，第二级放大100倍，
选择电阻RG 分别为500Ω；INA128外围电路简单，输入阻抗高，并且有效抑制共模干扰，具体电路如图4所示。
图4 交流放大电路
3.1.3 带通滤波器
将低通滤波器与高通滤波器串联，就可以得到带通滤波器，因为要求输入信号的频率范围900Hz~1.1KHz，所以带通滤波器的通带必须包含这个频率范围，带入参数可得带通滤波器电路，具体电路如图5所示。
图5带通滤波器
3.1.4移相电路
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。
图5 移相电路
由方案论证得，本设计采用模拟移相电路。
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)，写成模和相角的形式为：|A u|=1,φ=180°-2arctan（f/f0），其中f0=1/（2πRC），滤波器相移范围均接近180°，移相电路如图5所示。
3.1.5方波产生电路
方波产生电路，主要用的是电压比较器的工作原理，具体电路如图6所示。
图6 方波产生电路
3.1.6相敏检波器
相敏检波器首先将输入信号同相和反相跟随器，输入到二选一模拟开关74HC4053，具体电路为图7。
图7 相敏检测电路
3.1.7低通滤波器
74HC4053的输出最后经过由AD817构成的通滤波器，能够达到滤波的效果，具体电路如图8所示。
图8低通滤波器
3.1.8直流放大器
由交流放大器输出的信号，经过直流放大器电路放大后，能得到较好的效果，如图9所示。
图9 直流放大器
3.1.9直流放大器
该电路能很好的将交流信号变成直流信号，具体电路如图9所示。
图10 有效值检测电路
3.2 程序设计
本设计MCU采用STC单片机STC89C52，A/D模块采用TLC2543,显示采用OLED。
MCU将TLC2543采集到的数据送入单片机进行处理，并将结果实时显示在OLED上。
系统软件程序流程图如图11所示。
开始
初始化单片机和OLED
初始化单片机和OLED
EOC 是否为高电平？
Y
N
将CLOCK 和CS 置低电平
获取A/D 转换数据
将CS 置高电平
转换数据进行处理并显示
在OLED
图11 系统软件流程图
4 测试方案与测试结果
4.1测试仪器
任意波形发生器 模拟示波器 万用表 直流电源
4.2 测试结果
4.2.1信号通道的输出波形
信号通道的输出波形如图12所示，其中蓝色信号： X(t)为信号通道的输出波形；黄色信号：信号源信号。
图12 信号通道输出波形
4.2.2参考通道的输入波形和输出波形的移相
参考通道的波形如图13所示，可以很明显的看到方波信号与正弦信号的相位差。
其中蓝色信号： R(t)为参考信号；黄色信号：r(t)方波信号。
图13 参考通道波形
4.2.3 相敏检波器的输出波形
相敏检波器的波形如图14所示，黄色信号为相敏检波器的输出波形，蓝色为相敏检波器的输入的正弦信号X(t)。
从图形来看，该相敏检波器的效果是很好的。
图14 相敏检波器的输出波形
4.3测试结果及分析
由上述测试数据可得，本系统能较好地完成各项指标，当正弦信号频率为1K时，输入信号幅度在5VPP能很好地显示出来，误差在10%范围内，在300uvpp-1mvpp时，电路误差变大。
可能是由于各级加法，放大器的线性误差及零飘，AD采样的非线性误差等导致的。
5 总结
本系统能够很好地完成各项基本指标，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。
由于时间仓促，未能进一步完善改进系统，不过这三天依然学到了很多东西，我们付出了很多，也收获了很多。