1锁定放大器的设计
一种基于开关电容技术的锁定放大器设计
一种基于开关电容技术的锁定放大器设计
随着电子学、信息论、物理学、计算机技术的发展，为满足现代科学研究和技术开发的需要，微弱信号的处理方法得到不断的发展。
微弱信号检测技术可以分为两类：1)用硬件电路实现微弱信号的调理和采集，其方法主要有：滤波技术、相关检测技术、同步积累法、开关电容网络及光子计数法等；2)利用计算机技术和信息处理技术从噪声中提取微弱信号。
这里主要从硬件方面提出一种新的微弱信号检测电路设计方案，利用开关电容网络和积分器相结合实现检测，在降低噪声的同时，对微弱信号进行放大。
1 锁定放大器工作原理锁定放大器是基于互相关原理设计的一种同步相干检测仪，能够对检测信号和参考信号进行相关运算。
按照互相关的数学表达式，相关器包括乘法器和积分器2 部分。
考虑到线性范围和动态范围，通常相关器不采用模拟乘法器，而采用线性好、动态范围大、电路简单的开关式乘法器。
锁定放大器的参考信号不是一个任意函数，而是和待测信号同步的方波。
锁定放大器的工作原理如图1 所示。
图中乘法器和积分器实现互相关运算，积分器在同步方波的控制下以充放电形成方波信号，以便后续电路处理；带通滤波器(BPF)的功能是选频和放大，根据放大倍数的需要，采用适当级数的BPF；相敏检波器(PSD)把放大后的调制信号再和载波信号相乘，利用低通滤波器(LPF)滤出高频分量，输出直流电平的大小与被测微电流成正比。
图2 为锁定放大器采用的相关原理。
由此可知，相关器输出为直流电压，其值正比于输入信号的基波振幅，并与参考信号之间的相位差的余弦成正比。
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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。
锁定放大器的设计
目录1.摘要与系统方案选择2.设计原理与理论分析3.交流放大器4.有源带通滤波器5.硬件设计6.加法器7.二阶带通滤波器8.参考通道9.实验数据10.软件程序11.参考文献锁定放大器的设计摘要本系统以TI公司超低功耗MSP430G2553作为处理核心，进行控制和测量。
信号通道对调制正弦信号输入运用加法电路以后，先进行衰减10000倍，然后进行交流放大10000倍（一级放大100倍，二级放大100倍），让信号通过信号通道，一级放大用高精度仪表放大器 INA114对信号进行初步的放大，进一步提升系统的噪声抑制比，二级放大应用TI通用双运放OPA2237实现。
相敏检波模块（相敏检波器,低通滤波器和直流放大器）由数字电路用单片机来实现，参考信号通过自制的电阻分压网络降压和TI公司的LM324电压比较器实现移相器，调理后汇总进入数字检波模块最后显示出结果，顺利完成了题目要求。
关键词：微弱信号放大精密仪表放大器放大器数字检波一、系统方案与选择1.放大电路的选择方案一：选用普通运算放大器，价格便宜，技术成熟，操作难度小。
但是会将内部严重的噪声放大，共模抑制比一般，测量会存在很大的误差。
方案二：采用高精度仪表放大器INA114是一种通用的仪表放大器，尺寸小精度高，价格低廉，应用广泛。
对于系统的前端放大电路用INA114只需要一个外部电阻就可以设置,电路简单。
由于被测信号小，就要求前置放大器必须具备低噪声的特点，否则将由于放大器本身的噪声将使放大器的本身噪声将使信号淹没的更深。
另外，还要考虑前置放大器具备足够的放大倍数，强的共模抑制比。
综上，放大器信号通道要求具有低噪声和高效益的性能，而TI公司的仪表放大器IN114完美的达到了要求。
增益在1--10000之间的任意增益值, 共模抑制比高（G＝1000时为50dB）,失调电压低，漂移小（0.25uV∕°C）测量精准。
2.相敏检测装置的选择方案一：输出前的低通滤波器和直流放大器运用模拟电路来实现，电路简单操作容易，但是考虑到全局都用模拟来实现会带来较大误差。
锁定放大器
摘要锁定放大器主要用于检测信噪比很低的微弱信号。
即使有用的信号被淹没在噪声信号里面，即使噪声信号比有用的信号大很多，只要知道有用的信号的频率值，就能准确地测量出这个信号的幅值。
1系统方案1.1方案框图：图1方案框图1.2方案分析（1）信号通道对输入信号进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。
（2）参考通道的功能是为相敏检测器提供与被测信号相干的控制信号，故参考输入必须是与被测信号相关的同频信号。
参考通道的输出r(t)可以是正弦波，也可以是方波，但为了防止r(t)的幅度漂移影响锁定放大器的输出精度，r(t)最好采用采用占空比为50%的方波开关信号，用电子开关实现相敏检测。
（3）相敏检波器的输出通过低通滤波器压缩带宽，大量的宽带噪声被滤除，使锁相放大器具有很强的抑制噪声能力。
锁相放大器的通带宽度取决于低通滤波器的时间常数，时间常数越长，带宽越窄，对信噪比的改善也就越高。
信噪比的改善与时间常数的平方根成正比。
为使LPF 的输出满足要求，常常使用直流放大器对其输出进行放大。
2 理论分析与计算2.1 二阶有源带通滤波电路：如图所示：R30、R28和C14组成低通网络，C12和R34组成高通网络，两者串联组成带通滤波电路。
当高通滤波器的截止频率h f 低于低通滤波器的截至频率l f 时，该电路便只能通过l f ~h f 的信号。
电路如图2所示。
截止频率计算公式：RC f π21=截止图2二阶有源带通滤波电路3 电路与程序设计3.1 程序框图4 测试方案与测试结果4.1 测试数据完整性,测试结果分析 4。
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）。
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。
锁相放大器的设计
锁相放大器的设计【摘要】本系统以超低功耗MSP430G2553作为处理核心，用OPA244、OPA2237、LM324N、LM3119等实现对微弱信号的检测。
该电路由信号调理模块、移相器模块、相敏检波器和数码管四个模块组成。
信号调理模块包括加法器，交流放大器，四阶带通滤波器，信号调理电路子模块，其具有微弱信号放大和调理、抑制干扰和噪声的作用。
移相器模块由多个比较器，积分器组成，实现与被测信号的同步，产生可180°移相的方波传输给MCU，由数码管显示被测信号的幅度。
【关键词】微弱信号;移相器;msp430;相敏检波器1.锁相放大器设计原理根据相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数f1（t）和f2（t）的相关函数定义为：它是度量一个随机过程在时间t和两时刻线性相关的统计参数，如果f1（t）和f2（t）完全没有关系，则相关函数将是一个常数。
下面我们设有两个信号x（t）、y（t）为：其中n1（t）、n2（t）为噪声，Vs（t）为待测信号，Vr（t）为参考信号。
则相关函数为：展开得：因为信号和噪声不相关，且噪声的平均值为零，所以都为零。
故：这样我们可以看到，两个信号经过相乘和积分处理后就可以把噪声抑制，锁相放大器的核心就是根据这个原理设计的。
2.设计方案的论证如图1所示，该方案将数字脉冲电位器用模拟移相器取代，其中移相器是由多个小模块依次作为输入产生不同的波形，最终实现将正弦信号调整为相位不同的方波信号。
且该处采用模拟器件容易实现，便于分级检测输出的波形，及时对硬件电路进行修正和改进。
图13.硬软件设计3.1 硬件的总体设计通过理论分析，该系统主要由由三部分组成，即：信号通道，参考通道和其他相关器。
加法器将被测信号S（t）和噪声信号n（t）以1：1叠加后通过电阻分压网络将叠加后的信号进行衰减。
信号通道由放大器和带通滤波器组成，其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器的工作电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器动态范围的性能;参考通道由触发整形和移相器组成，其作用是产生与被测信号同步的对称方波，再由方波驱动给相关器;相关器由数字相敏检波器组成，是锁定放大的核心部件，具有动态范围大、漂移小、时间常数可调等性能。
锁相放大器设计解析
C题：锁定放大器的设计摘要：本设计对于检测微弱信号的锁存放大器进行论述，锁定放大器主要包括交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器及液晶显示等几个部分。
其中，交流放大器以INA128为主要构成部件，实现交流信号的放大从而作为带通滤波器的输入；带通滤波器用UAF42构成，实现对900Hz到1100Hz频带范围的滤波过程，其误差小于20%；相敏检波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信号在输入低通滤波器经直流放大器放大后输入显示电路，显示出被测信号的幅度及有效值。
另外，在相敏检波器部分的方波驱动信号由参考信道的参考信号经触发整形、移相、比较而来。
同时，为了更好的检测出锁定放大器的性能，在信号的输入端增加加法器电路，实现被测信号与干扰信号的1:1叠加，当干扰信号的频率为1050Hz—2100Hz时，输出端的测量误差小于10%。
锁定放大器在实际应用中用途广泛，尤其对于微弱信号检测方向站着主导地位，随着科技的发展已渐渐的融入人类的生活之中，拥有很好的发展前景。
关键词：带通滤波器；相敏检波器；显示；方波驱动1 总体方案设计1.1方案比较与选择1.1.1微弱信号检测模块方案比较方案一：采用滤波电路检测微弱信号，通过滤波电路将微弱信号从强噪声中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，由此可见该方案不满足要求。
方案二：采用取样积分电路检测小信号，采用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善√N倍，但这种方法取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。
方案三：采用锁相放大器检测小信号，锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器等组成，其中相敏检波器(PSD)是锁相放大器的核心，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，具有良好的检波特性。
由于该被测信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适用于锁相放大器的工作情况，故选择方案三。
锁定放大器设计
锁定放大器设计报告一、方案选择本系统是基于相敏检波(PSD)技术的锁定放大器(LIA)，用于实现强干扰背景下uV级微弱信号的有效检测。
本文给出一种基于TI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PSD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AD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。
参考信号R(t)输入后分两路，一路送信号通道，一路送参考通道。
R(t)在信号通道中经过3600倍衰减获得待测微弱信号，送加法器与干扰叠加，是否引入干扰、干扰倍数可通过切换继电器控制，且干扰也经过同结构纯电阻网络分压，叠加了干扰的微弱信号经两阶带通滤波器滤波后送相敏检波器处理。
R(t)在参考通道中先经移相电路移相，使得与信号通道末的微弱信号相位一致，经触发整形生成驱动方波送相敏检波器处理。
相敏检波器利用模拟开关实现检波，输出信号经两阶低通滤波提取直流分量。
AD进行采样转换，单片机读取AD值，进行简单计算处理现实对应微弱信号幅值。
总体设计框图如图1.图1 总体设计框图二、理论分析与计算2.1移相电路移相电路核心部分由电阻电容构成，差分输出，可计算出其传递函数为：观察幅频特性，对其取模，可知：可见，图示移相电路具有结构简单、无额外增益、稳定性好的特点，且可以实现0到180°相移。
移相电路 纯电阻分压触发整形PSD 相敏检波器干扰选择AD 采样显示Σ加法器干扰源 N(t)小信号S(t)参考输入 R(t)大信号 R(t)信号通道参考通道纯电阻分压图2 移相电路核心2.2带通滤波器由题意，本题需要设计中心频率f0=1000Hz，3dB频带范围为900Hz~1100Hz的带通滤波器。
锁定放大器的设计(C题)
1
������ ������ ������5
������ ������������5
+ ������28
=
1 1 + ������������������5 ������28
������29 ������29 1 ������������ + （1 + ） ������27 ������27 1 + ������������������5 ������28 ������������ = 1 − ������������������5 ������28 1 + ������������������5 ������28
图 11 开关乘法器电路图 调整移相器得到与待测信号同相的方波，CD4053 得到如图 12 所示的输出波形
图 12 整流输出波形 3.1.9 低通滤波及直流放大电路 开关乘法器输出的电压值并不是直流， 经过一个截止频率很低的低通滤波器 可以得到直流，经过直流放大输出到单片机进行显示。
OPA4227PA VCC
12V
图 5 交流放大电路图 3.1.4 带通滤波器的设计 本系统要求带通滤波器的通频带为 900Hz～1100Hz,通带窄，而且要求通频带之 外的频率衰减的越快越好，因此我们要选择二阶带通滤波器。我们使用 TI 公司 提供滤波器设计软件 Filter Pro 进行初步设计，并在 Multisim 中进行参数的微 调，在实际电路中将 R17 和 R21 变为滑动变阻器，使得带通滤波器的截止频率和 Q 值可以微调。最终形成图 6 所示的带通滤波器。其幅频特性如图 7 所示：
图 1 整体系统框图
2 理论分析与计算
2.1 锁相放大器原理 锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成，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、同相的信号 有响应。所以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
锁定放大器实验报告
A6 ：潘美方、于溪、石汶奇锁定放大器的设计（C题）摘要本系统是基于锁定放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声的影响下微弱正弦波的幅值。
本系统由纯电阻分压网络、加法器、交流放大器、带通滤波器、滞回比较器、相敏检波器、低通滤波器和直流放大电路组成。
本系统是以相敏检波器为核心，参考信号经过移相后，通过滞回比较器触发整形产生方波。
移相电路用于调整方波与正弦波相位一致性，开关乘法器CD4053在方波的驱动下对正弦波进行全波整流，最后通过低通滤波器和直流放大器检测出微弱信号，并通过MCU采样，在液晶屏上显示微弱信号的幅度。
经最终的测试，系统能较好的完成微弱信号的检测。
AbstractThis system is a device for weak signal detection based on Lock-in amplifier,which can be used to detect the weak amplitude sine wave under the influence of strong noise.The system consists of a purely resistive divider network,adders,AC amplifier,a bandpass filter,hysteresis comparator,phrase sensitive detector,a low-pass filter and a DC amplifier circuit.The phrase shifter is for adjusting the phase of the square wave and sine wave consistency,with switch multiplier CD4053 driving under the square wave full-wave rectified sine wave.Finally, after go through the low-pass filter and a DC amplifier,we detect the weak signal with sampling by MCU, and display the amplitude of the weak signal on the LCD screen.After the final test, the system can complete the detection of weak signals well.1 系统方案1.1 方案比较与选择1.1.1 触发整形电路方案一：采用单限比较器。
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。
定放大器设计
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。
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
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。
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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）。
锁定放大器基本组成框图见图1。
作品来源：2014年黑龙江TI杯大学生电子设计大赛一等奖作者简介：贾硕(1994-),男，2012级,通信工程专业指导教师：阳昌汉(1939-),男，教授，信息与通信工程学院图1 锁定放大器基本组成结构框图1．2 基本要求1)外接信号源提供频率为1kHz的正弦波信号，幅度自定，输入至参考信号R(t)端。
R(t)通过自制电阻分压网络降压接至被测信号S(t)端，S(t)幅度有效值为 10μV~1mV；（5分）2)参考通道的输出r(t)为方波信号，r(t)的相位相对参考信号R(t)可连续调节或步进移相180度，步进间距小于10度；（20分）3)信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。
误差小于20%；（10分）4)在锁定放大器输出端，设计一个能测量显示被测信号S(t)幅度有效值的电路。
测量显示值与S(t)有效值的误差小于10%；（15分）5)在锁定放大器信号S(t)输入端增加一个运放构成的加法器电路，实现S(t)与干扰信号n(t)的1:1叠加，如图2所示；（5分）6)用另一信号源产生一个频率为1050~2100Hz的正弦波信号，作为n(t)叠加在锁定放大器的输入端，信号幅度等于S(t)。
n(t)亦可由与获得S(t)同样结构的电阻分压网络得到。
锁定放大器应尽量降低n(t)对S(t)信号有效值测量的影响，测量误差小于10%；（20分）7)增加n(t)幅度，使之等于10S(t)，锁定放大器对S(t)信号有效值的测量误差小于10%。
（20分）2 方案论证2.1 交流放大器方案一：采用单级低噪声放大，能够很好的抑制噪声。
但是考虑到前级衰减网络衰减倍数较小，一级放大倍数会很大，无法达到低噪的效果。
方案二：采用两级放大，前级用仪表放大器，后级用低噪放大器。
仪表放大具有很高的共模抑制比，在很高的放大倍数下依然能够有很好的噪声抑制性能。
综上，为了达到很高的放大倍数且有足够好的噪声抑制性能，选择方案二。
2.2 带通滤波器方案一：采用四阶巴特沃兹多路反馈型带通滤波器。
该滤波器滤除杂波，但是滤波器设计复杂，且对电电容取值极为敏感，调试略微复杂，且PCB面积较大。
方案二：采用集成滤波器。
该滤波器设计简单，只需调整很少的参数，就能获得很好的滤波效果，电路设计简单，且占用很少的面积[1]。
综上，为减少面积和设计复杂程度，采用集成滤波器，以很好的抑制噪声。
2.3 相敏检波器方案一:采用模拟乘法器和低通滤波器组成的相敏检波器，能够很好的实现相干检测，但是考虑到信号的动态范围，而模拟乘法器动态范围太小。
方案二：采用开关模拟乘法器和低通滤波器能够很好的解决输入信号的动态范围并且实现相干检测。
综上，考虑到为了实现较大的动态范围，选择开关乘法器。
2.4 移相器方案一：数字移相。
数字移相能够更方便的控制移相大小。
但是增加工作量，且相位步进不好控制。
方案二：有源RC移相器。
RC移相器不仅解决数字移相时幅度改变带来的相位变化，而且连续可调。
电路设计简单。
综上，考虑到电路设计复杂度和测量准确度，选择方案二。
2.5 软件方案选取方案一：选取STM32作为微处理器，处理器内部具有ADC，优点为转化速率快，缺点是STM32内部AD为12位或8位（可软件选择），且参考电压为最小系统的稳压芯片提供，所采的电压值并不精准。
故需采用外部ADC来进行采样。
方案二：选取MSP430F5529作为微处理器，该处理器优点为低功耗，缺点为转化速率较慢。
采用外部高精度AD芯片ADS1118作为模数转换综上，考虑到整个系统的设计，MSP430完全可以胜任这项任务。
并且MSP430的低功耗性能也可以减小整个系统的功耗，使整个系统更具有稳定性。
ADS1118内部带有可编程增益放大器，可选较小的量程提高采样精度。
所以我们选用MSP430作为微处理器，ADS1118作为外部ADC来对系统产生的直流进行采样。
2.6 系统整体方案：系统采用衰减器把微弱信号送进输入级，经低噪放大，带通滤波送进开关乘法器信号输入端，再由参考通道产生方波驱动开关乘法器，利用相干检波滤除直流分量，再由ADC采集信号并由液晶显示屏显示[2]。
2.7 系统总体框图信号s(t)干扰信号n(t)衰减网络衰减网络加法器交流放大器带通滤波器AD630相频检波器低通滤波器AD采样12864液晶显示移相器方波驱动R(t)图2 系统总体框图3 理论分析计算3.1 硬件电路的设计原理3.1.1 信号通道电路的设计信号通道电路包括两路衰减器，加法器，交流放大器，带通滤波器。
当不加干扰信号时，关闭N(t)信号通道，直接测量显示；叠加干扰信号，直接打开N(t )通道，输出干扰信号，测量即可。
如图2所示：衰减器由π型分压网络组成。
考虑到阻抗匹配，设定输入输出电阻为50Ω，其衰减倍数设定为500倍，则R1=R14=25K.加法器要求能实现s (t)与干扰信号n(t )叠加，采用反相加法器可实现此功能。
由于进入加法器信号为微弱信号，受噪声影响大，故采用低噪声运放opa227,加法器增益设计为1，所以取R2=R7=R10=1K。
交流放大器部分第一级采用INA128放大100倍，INA128是TI公司生产的低噪声仪表放大器，性能极为优越。
其计算公式：Au=1+50k/Rg 所以当Au=100时，取Rg=505Ω。
第二级采用低噪声放大器OP37设计的同相比例放大电路。
根据同相比例电路原理：当Au=10时，取R8=1k，Rf=10k。
带通滤波器采用TI公司生产的通用有源滤波器UAF42。
该芯片电路设计简单，只需参照TI官方芯片资料计算和选取参数，即能设计符合要求的带通滤波器。
这里我们设计中心频率1KHz通频带为200Hz。
参考取值;R13=6.2k,R12=R18=162k[3]。
图3 信号通道电路3.1.2 参考通道触发整形电路的设计如图3所示，参考通道由两级有源移相网络和方波发生器组成。
为实现r（t）的相位相对参考信号R(t)可连续调节180度，采用两级级联有源移相电路，通过两级运放，可轻松实现0到180度移相，实际运用中电路实现了接近0到360度连续调节，通过计算，取R1=R2=R3=R4=10K，C2=C3=104,两滑动变阻器取20K，芯片选用通用型运放OP07。
方波发生电路采用LM311典型应用电路：过零比较器。
由于LM311在比较器的输出端上拉电阻两端并接一个容量适当的电容, 对滤除和减弱振荡有显著效果。
电容的容量应在实验的基础上确定，不宜太大, 否则会使输出脉冲的前沿变坏。
而加入电容后会使方波上升沿变缓，这里加入稳压管做箝位电路。
图4 参考通道触发整形电路3.1.3 相敏检波器的设计相敏检波器分为模拟乘法器和开关式波器PSD的本质其实就是对两个信号之间的时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大。
图5 相敏检波器原理图设输入信号为：)cos()(x 0θω+=Z V t参考信号方波为：])12cos[(12)1(4)(01n 1-n rt n n V t r ωπ---=∑∞= 相乘后的结果：)2cos(12)1(2])12cos[(12)1(2)()()(011011θωπθωπ+--+----==∑∑∞=-∞=-t n n V V t n n V V t g t x t u n n r z n n r z p 上式左边为差频分量，右边为和频分量。