基于AD630的双相锁相放大器设计

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ｌ Ｑ Ｕ ４ ＯＴ
Ａ ９ ５ Ｄ８０
ＶＩ Ｎ Ｎ
器 是 由 两 个 完 全 相 同 的信 号 通 道 和 相 关 器 组 成 ，其 信 号 通 道
图 ３ ＡＤ ８ ０ 电 气 连 接 ９５的
噪 声 与 参 考 信 号 相 乘 的结 果 都 被 滤 掉 ，仅 剩 下 直 流 信 号 ，即 ０５ ＢＣＳ（ ． Ｏ Ａ ） ，只要 两 个 信 号 的初 ）是 恒定 的 。 由
．
相 位 Ｏ 是 已知 的 ，则 ＣＳ（ ／ 和 Ｏ
待 测 信号 的 幅值 Ａ。
字控制可编程 频率合成器 。设输出信号 的频率为
Ｉ
Ｄ ３ Ｄ ２ Ｄ ｌ Ｄ Ｏ
由双 相锁 相放 大 器 的工 作 原 理 可知 ，参 考 通
１ Ｄ ３ ２ Ｄ ２ ３ Ｄ １ ４
Ｄ ４ Ｄ ５ １ ） ６
２ ８ ２ ７ ２ ６ ２ ５
Ｄ ４ Ｄ ５ Ｄ ６ Ｄ ７
Ｉ Ｉ
＋ Ｗ Ｌ ５Ｉ Ｃ Ｋ Ｆ Ｕ ＱＤ
摘要 ：在利用 激光吸收光谱技术进行摩托 车尾 气检测的系统 中，携带有用信息 的光信号是微 弱信号 ，淹没在很强的噪声 和其他 干扰 的背景 中，因此必须采用微 弱信号检测技术中的锁相放大器来实现有用信 号的提取。阐述了微弱信号检测的基本原理 ，比 较了单通道和双通道 的锁相放大器 的优劣 ，设计 了运用 Ａ ６ ０ Ｄ ３ 作为相关乘法器 的双相矢量锁相放大器 。
ＺＨＵ ａ －ｌ ． Ｌ ａ Ｘｉ ｏ ｉ ＩＸｉ （ ｈｎ ｉ ａ ｇＵｎｖ ｒｉ Ｃ ｉａＪｔ ｎ ｉｅｓｔ ｉ ｙ，Ｈａ ｇ ｈ ｕ３１０１ ｎ ｚ ｏ ０ ８，Ｃｈｎ ） ｉａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｈ ｓ ｆｌｓｒａ ｓｒ ｔ ｎ ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｏ ｅｅ ｔｏ ｆｍｏｏｃ ｃｅｅ ｈ ｕ ｔｓ ｓｅ ， ｔ ｅｕ ｅｕ ｎｏｍａｉｎｗｈｃ ｐｉａ ｓｒ ｃ ： ｎｔ ｅｕ ｅ ｏ ｅ ｂ ｏｐｉ ｐ ｃｒｓ ｏ ｙｆｒｄ ｔｃｉｎ ｏ ｔｒｙ ｌ ｘ ａ ｓ ｙ ｔｍｓ ｈ ｓ ｆｌｉｆｒ ｔ ｉｈ ｏ ｔｃ ｌ ａ ｏ ｏ
参 考信 号 和被测 信 号 同相 位 。为 了消 除 （ ） 值 的 不 确 定 带 来 的影 响 ，对 参
考信 号做 ９ ０。的 移 项 作 为 第 二 路 锁 相 的 参 考 信 号 ，这 样 双 通 道 的 锁 相 放 大 器 就 能 实 现 动 态 地 测量 幅值 和相 位 。
频 又 同相 的概率很小 ；利用低
收稿 日期 ：２ １ —０ —０ ０２ ２ ８
图 １ 锁相放 大器 的工作原理
信 号通 道 的作 用 是将伴 有
噪 声 的 输 入 信 号 放 大 ，并 经 选 频 放 大 对 噪声 进 行初 步 处 理 ；
参 考 通 道 的 作 用 是 提 供 一 个 与
●
Ｄ ： ０ ３ ６ ｊｉ ｎ １ ０ － ４ ２ ２ １ ． ６ ０ ６ ＯＩ １ ． ９ ９／．ｓ ． ０ ９ ９ ９ ． ０ ２ ０ ． ０ ｓ
基于 Ａ ３ 的双相锁相放大器设计 Ｄ６ ０
朱 晓 莉 ，厉 霞
（ 国计 量 学 院 ， 浙 江 杭 州 ３ ０ １ ） 中 １０ ８
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号 与被测信号的互 相关特性 ，提取出与参考信号 同频 率 和 同相 位 的被 测 信 号 。锁 相放 大 器 可 在 比
被 测 光 信 号 强 １０Ｂ 的外来 干 扰 中检 测 出 目的信 ０ｄ
１ 相 放 大 器 的 工 作 原 理 锁
锁 相放 大 器 采 用 外差 式 振 荡 技术 ，利 用信 号 的 相关 原 理 对 混 有 噪声 的 周期 信 号进 行 相 关 运算
三 极 管 Ｔ 、片 内 电 阻 、片 内 补 偿 电 容 组 成 。 由 １
号 １ 。从锁相放大器问世 以来 ，由于其在微弱信号 检 测 方 面 的优 越性 能 ，在 科 学 研究 的各 个 领 域 得
到广 泛 的应用 。
后 ，从噪声信号中检测 出目标信号 。其工作原理
框 图如 图 １ 示 。 所
锁 相 放 大器 有 三 个 特 点 ： 用 调 制 器 将 直 流 或 渐 变 信 号 进 行 交 流 放 大 ，可 以避 免 噪 声 的 不 利 影 响 ；利 用 相 敏 检 测 器 实 现 对 调 制 信 号 的解 调 ，同 时 检 测 频 率 和 相 位 ， 噪声 与 信 号 同
输 入 信 号 相 同 的方 波 ；相 敏 检 波 的 作 用 是 对 输 入 信 号 和 参 考 信 号 完 成 乘 法 运 算 ，从 而 得 到 输 入 信 号 与 参 考 信 号 的 和 频 与
差 频信 号 ；低 通滤波 的作用 是
滤 除 高 频 信 号 成 分 ，这 使 得 等 效 带 宽变 窄 ，从 而实 现提 取 噪声 中 的微 弱 信号 。
厂 ０ ，参 考频 率 为 Ｃ ＫＮ，Ａ ９５ 的频 率控 制 字为 ＬＩ Ｄ ８０ ／Ｐ Ａ Ｅ，则 三 者 之 间 的 关 系 为 ： ／Ｐ Ａ Ｅ ＝ ＸＨＳ ＸＨＳ
（ ． ／Ｌ Ｉ ２ ） Ｃ Ｋ Ｎ。
于参 考 信 号 的 幅值 Ｂ是 确 定 的 ，那 么很 容 易得 到 在 单 通 道 中很 难 做 到 ＣＳ （ ） 的恒 定 ，即 Ｏ
也 要 和参 考信 号 相乘 ，结果 ｎｔ ｉ （ ｔ／ （Ｂｓ ｒ＋３ ） ｎ ｏ ）几 乎 都 是 交 流 信 号 。低 通 滤 波 器 的 通 带 可 以 做 得 很
窄 ，经 过 低 通 滤 波 器 ，待 测 信 号 的二倍 频 信 号 和
／ａａ： ３ｒｎ 。 ＝ｃ Ｖ。 ｔ
参考信号可 以是方波 、三角波 、正 弦波等周
关键词 ：锁相放大器 ；微弱信号检测 ；ＡＤ ３ ６０ 中图分类号 ：Ｔ ７ ２ Ｎ ２ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ０ ９—９９ ２ １） ６—０ １ —０ ４ ２ｆ０ ２ ０ ０９ ５
Ｔｈ ｓｇ ｆＤｕ ｌ Ｐ ａ ｅＬｏ ｋ Ｉ ｅＤｅ ｉ ｎ ｏ ａ － ｈ ｓ ｃ － ｎ Ａｍｐ ｉ ｅ ｓ ｄ ｏ ｌ ｒＢａ ｅ ｎ ＡＤ６ ０ ｉ ｆ ３
０引言
锁 相 放 大 器 （ｏｋ ｉ ｍｐｉｅ）是 利 用 互 相 １ —ｎａ ｌｉｒ ｃ ｆ
通 滤 波 器 来 抑 制 噪声 ，低 通滤 波 器 的频 带 可 以做 的 较 窄 ，而 且 其 频 带 宽 度 不 受 调 制频 率 的影 响 ， 稳 定 性也 大大 地提 高 。
关 原 理 设 计 的一种 同 步相 关 检 测 仪 ，利 用 参 考 信
５ ＬＢ Ｏ Ｓ Ｄ
６ ＤＮ ＧＤ
ＣＫＮ Ｌ Ｉ
ＤＮ ２ ＧＤ ４
Ｄ Ｄ ＶＤ ２ ３ ＲＳＴ ２ ＥＥ ２
Ｄ ７
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ｆ Ｉ５ ＋
７ ＤＤ ＶＤ ８ ＷＣＫ Ｌ
２双 相锁 相 放 大器 系统 的硬
件 设 计
２ １ 相锁 相放 大器 工 作原 理 ．双 如图２ 所示 ，双相 锁 相放 大
濉
道 输 出的两 路信 号 中需对其 中一路进 行 ９ 相 ０。
移 ，其 相 移 与 相 位 控 制 之 间 的 对 应 关 系 参 考 表 １ ，频 率 、相位 控 制字 的各 位分 配表 参考 表 ２ 。
表 １ 相移与相位控制之 间的对应关 系
切换 开关 ｓ 、输出积分放 大器 、比较器 Ｃ Ｍ 含 Ｏ Ｐ（
９ Ｆ Ｄ ＱＵ
Ｉ Ｕ ２ｌ ＯＴ
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ｌ Ｃ Ｋ Ｎ ０ Ｌ Ｉ １ Ａ Ｎ ｌ ＧＤ
ｌ ＡＩ ２ ｖＤ ）
ＩＵ Ｂ ２ ＯＴ ０ Ａ Ｎ ｌ ＧＤ ９
ＤＣＬ Ａ Ｂ １ ７ ７ Ｎ １ ＩＰ Ｒ
ＡＤ ｌ Ｖ Ｏ ８
ｓｇ ａ ａ ｒ ｉ ｇ ｉ ａ ． ｅｗｅ ｋ ｓ ｇ ａ ｓｓ ｂ ｒ ｅ ｎ ｓｒ ｎｇｂａ ｋ ｒ ｕ ｏ ｓ ｎ ｔ ｅ ｔ ｒｅ ｅ ｃ ． ｔｍｕ ｔ ｅｔ ｅｌ ｃ — ｎ ａ ｌ ｉ ｒ ｉ ｎ ｌｃ ｒｙ ｎ ｓｗｅ ｋ Ｔｈ ａ ｉ ｎ ｌｉ ｕ ｍｅ ｇ ｄ ｉ ｔｏ ｃ ｇ ｏ ｎｄ ｎ ｉ ｅ ａ ｄ ｏｈ ｒｉ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ Ｉ ｓ ｈ ｏ ｋ ｉ ｍｐ ｉ ｅ ｎ ｕｓ ｆ ｗｈ ｃ ｅ ｏ ｇ ｈ ａ ｉ ａ ｅｅ ｔ ｎ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ａ ｈ ｅ ｅ ｔ ｅ ｅ ｔａ ｔ ｎ ｏ ｓ ｆ ｌｓｇ ａ ． ｈｉ ｐａ ｅ ｅ ｃ ｉ ｅ ａ ｉ ｎ ｌｄ ｔｃ ｉ ｎ ｉ ｈ ｂ ｌ ｎ ｓ ｔ ｅ ｗｅ ｋ ｓｇ ｌｄ ｔ ｃ ｉ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｔ ｃ ｉｖ ｈ ｘ ｒ ｃ ｉ ｆｕ ｅ ｕ ｉ ｎ １ Ｔ ｓ ｐ ｒｄ ｓ ｒｂ ｓｗｅ ｋ ｓｇ ａ ｅ ｅ ｔ ｎ ｏ ｏ ｏ ｔｅ ｒ ｈ ｏ ｙ， ａ ｄ ｃ ｍｐ ｒ ｓ ｔ ｅ ｐ ｏ ｎ ｏ ｓ ｏ ｈ ｉ ｇ ｅ ａ ｄ ｄ ａ — ｈ ｎ ｅ ｏ ｋ ｉ ｍｐ ｉｉ ｒ ｉ ａ ｌ ｎ ｏ ａ ｅ ｈ ｒ ｓ ａ ｄ ｃ ｎ ｆｔ ｅ ｓｎ ｌ － ｎ ｕ ｌ ｃ ａ ｎ ｌｌ ｃ — ｎ ａ ｌ ｅ ．Ｆ ｎ ｌ ｆ ｙ， ｄ ｓｇ ｅ ｕ ｌ ｈ ｓ ｏ ｋ ｎ ｅ ｉ ｎ ｄ ａ ｄ ａ —ｐ ａ ｅ ｌ ｃ —ｉ
２２ 考信 号产 生 ．参
期性信号 ，本设计 中采用正弦波。正弦信号 的产
生 采用 ＡＤ 公 司生 产 的 Ａ ８ ０ Ｉ Ｄ９５ ，其 电气 连 接如 图 ３ ，它 是 采 用 先 进 的 Ｃ ＭＳ 术 的 直 接 频 率 合 成 Ｏ 技 器 ，最 高 时钟 频率 可 以达 到 １５ ２ ＭＨｚ 。它结 合一 个 片 内高 速 、高 性 能 Ｄ Ｃ和 比较 器构 成 一 个 完全 数 Ａ
ａ ｌｆ ｒｕ ｉｇｔ ｅＡＤ６ ０ａ ｓｏ ｉｔｄｍｕｔｐｉｒ ｍｐ ｉｅ ｓｎ ｈ ｉ ３ ｓａｓ ｃａｅ ｌｉｌ ． ｅ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ ｌ ｃ － ｎ ａ ｄ ： ｏ ｋ ｉ ｍｐｌ ｅ ； ｗｅ ｋ ｓｇ ａ ｅ ｅ ｔ ｎ； ＡＤ６３ ｉ ｒ ｉ ｆ ａ ｉ ｎ ｌｄ ｔ ｃ ｉ ｏ ０
‰ （）＝０５ Ｂｓ （ ｔ ． ｎ ＿ ） Ａ ｉ
假 设 待测 信 号 是 Ａ ｉ（ｔ ∞ ，噪 声 为 凡 ） ｎ ＋ ｓ ｗ （， 参 考通 道 信 号 是 Ｂｓ （ｔ ，其 中幅值 是确 定 ｉｏ ＋ ） ｎ） 的 ，两路信 号在相敏检测 环节 中进行相乘 运算 ，
结果 为 ：
１
（） ２
（） ３
￣ Ｂ ｏ￣ 卢一０２ｔ ＋ ） ｎ）ｓ （ ＋） Ａ ［ｓ 一 ）ｃｓｗ＋ 卢］ Ｏ ｗ ｃ（ （ ＋ Ｂｉ ｔ ｎ
（） １
一
解 式 （） （） 可 得 Ｖ √ ＋ ２ ３ － ＿
，
式 （ ）中第一项为直流成分 ，大小与两信号 １ 幅值及相位差 的余 弦成正 比；第二项为待测信号 的倍频信号。和待测信号 同时进入乘法器 的噪声
图 ２ 双 相 锁 相 放 大 器 原 理 图
输 出两 路 相 同 信 号 ，参 考 通 道 输 出两 路 相 位 相 差 ９ Ｏ。的 正 弦 波 信 号 ， 分 别 在 两 个 相 关 器 （ Ｄ ３ ）中检 波 。故其 两个 相关 器输 出分别 为 Ａ ６０
Ｖ ｔ ＝Ｏ５ ＢＣＳ （ ｏ（） ． Ａ Ｏ ＿ ）