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1、摘要本系统是基于锁定放大器的微弱信号检测装置，用来检测在有干扰信号下已 知频率的微弱正弦波信号的有效值。该装置由加法器模块、纯电阻分压网络模块、 基于锁定放大器的微弱信号检测电路模块、基于 51单片机的有效值检测显示模 块共同组成。其中加法器和纯电阻分压网络产生微小信号， 锁定放大器是以相敏 检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过NE555SI形电路产生方波去 驱动开关乘法器CD4053再经过低通滤波器输出直流信号，最后通过 A/D转换 和单片机完成对微弱信号的采集处理并送至数码管显示，从而完成了对微弱信号 的检测。关键字：微弱信号检测锁定放大器相敏检波移相器目录1 .系统方案4.1.
2、1. 总体方案论证与选择 41.1.1. 相敏检波器电路论证与选择 .41.1.2. 移相网络论证与选择 41.1.3. 显示电路论证与选择 51.2. 总体设计思路5.2 .理论分析与计算 6.2.1. 加法器单元电路设计 62.2. 电阻分压网络单元电路设计 72.3. 锁定放大器电路设计 7.3 .电路与程序设计113.1. 整体电路图113.2. 软件程序流程图 114 .测试方案与测试结果124.1. 测试仪器124.2. 测试方案125 .结论14参考文献15附录151 .系统方案1.1. 总体方案论证与选择根据题目要求分析可知，本设计的核心是相敏检波电路，因此重点论证该部 分电路
3、的设计方案，其他部分电路设计方案后面直接给出。1.1.1. 相敏检波器电路论证与选择方案一：模拟电路相敏检波。采用运算放大器 LF353构成的整形电路部分， 用于对参考信号的处理；采用由场效应管构成的电子开关电路部分， 用于控制相 敏检波器；由运算放大器LF353构成的相敏检波器部分。方案二：采用AD630组成电子开关式相敏检测器，参考方波信号由锁相环 CD4046实现，它具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点，内部 VCO 产生50%占空比的方波，其工作频率高达 1MHz。但此方案操作起来不易，且 核心芯片价格昂贵，不符合实际。方案三：二极管桥型相敏检波电路。此电路需要用到变压器，体积
4、庞大不方 便且成本较高。综合比较，方案一简单可靠，成本低廉，便于实现，故选择方案一。1.1.2. 移相网络论证与选择移相器是参考通道的主要电路，它负责将参考信号处理成与待测信号频率相 干，便于相敏检波器检测，故在此加以论证。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 ,用两个运放级联的方式使相位可以在 3600范围内变化。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089的调 节，四个象限合起来甚至可以实现 0360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。相比之下，方案二增加了电路设计上的复杂度， 成本也很高。方案一电路简
5、单易行。故选择方案一。1.1.3. 显示电路论证与选择方案一：采用液晶显示器作为显示电路，液晶显示器显示内容较丰富，可以 显示字母数字。但对于本设计而言，不需要显示字母，只需要显示数字即可。此 方案程序设计较为复杂，性价比低。方案二：利用数码管作为显示电路，程序设计简单，性价比高，易于实现。两种显示电路设计方案相比较，数码管价格便宜，实现简单，所以选择方案一。1.2. 总体设计思路依据本题要求，本系统由加法器、前置交流放大器、带通滤波器、移相器、 整形电路、相敏检波器、低通滤波器和直流放大器组成。其中电阻分压网络将参 考信号衰减降压到有效值为10u1mV乍为待测信号，由同相放大电路构成的加 法
6、器将噪声信号叠加到待测信号中，参考信号经过移相器和整形电路输出方波驱 动相敏检波器，经低通滤波后输出的直流信号通过A/D转换和单片机处理，最后在数码管上显示出来。系统总体框架图如下：信号通道图1-1系统总体框架图2 .理论分析与计算2.1. 加法器单元电路设计j： R1 ：:：10kG ：v , B P VCEvct?v二10kQ ：VEE :VEE-15V j -R3WvR5 lOkO ：PrOP07DP3 :113kQ：:R4-WVIDkQ叠加，假定U1表示待测信图 2.1-1题目要求彳f测信号s (t)和干扰信号n(t)以1:1号，U2表示干扰信号，则：Uo = U1+U2根据“虚短”，
7、有U户U即Uo = (1+R4/R1)*U=(1+R4/R1)* (R*U1/R1+R*U2/R3)又因“虚断”，有i-=i -=0,可以得至U U + = (R t/R1)U1 + (R/R3) U2其中 Rt = R1/R3/R5令 U1 = U2解得 R1 =10K , R2 = 10K.NDOkO：；坪：d5kQKey=A2.2. 电阻分压网络单元电路设计50%0%Jiy=A：R7 ：-W,-：2009图 2.2-12.3. 锁定放大器电路设计锁定放大器是以相敏检波器为核心，利用参考信号频率与输入待测信号频率 相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声干扰信号中提取出有用的信号，使得测量
8、精度大大提高。锁定放大器设计分成五个模块：前置放大与带通滤波、相 敏检测器（鉴相器）、参考通道（移相器与整形电路）、低通滤波器、直流放大 器。1）前置交流放大VEE, VEE-15V :VEE -R6 ：；， :Mka :；:-15V VFF - - F J j p-i , r rSW - VCC15V图 2.3-12）带通滤波器R11ioko图 2.3-2题目要求检测出通频带为900Hz1200Hz的信号，所以设计带通滤波器。带 通滤波器是由低通滤波器和高通滤波器串联构成，带通滤波器的上限截止频率为 低通滤波器上限截止频率，带通滤波器的下限截止频率为高通滤波器的下限截止 频率。此设计我们采用
9、二阶带通滤波电路。题目要求设计的带通滤波器，指标为滤出900Hz1200Hz的信号，通频带Af =f2-f1 = 1200-900 = 300Hz;通带中心频率为 300 + 2+900 = 1050Hz。 已知下限截止频率为fl = 900Hz,上限截止频率为f2 = 1200Hz.高通滤波下限截止频率求出所需电阻：f1 =1/（2父n父R8x 2.2x10-6）由计算得：R8 =72343。低通滤波上限截止频率求出所需电阻：f2 =1/（2父冗m R6m750m10,2）由计算得：R6 =176839。3）相敏检波器相敏检波器模块主要由三部分组成：一是由运算放大器A1构成的整形电路部分，用
10、于对参考信号的处理；二是由场效应管构成的电子开关电路部分，控制相敏检波器；三是由运算放大器 A2构成的相敏检波器部分。当（2）端的控制电 压为高电平时，二极管D截止，开关管栅极G为低电平，BG截止，相当开关断 开。此时，相敏检波器为反相运算放大器，输入与输出信号反相。当（2）端的控制电压为低电平时，二极管 D导通，开关管栅极G为高电平，BG导通，相当 开关接通。此时，相敏检波器为同相运算放大器，输入与输出信号同相。4）移相器VEE：RI _ VEE WV- “KQHlOkfi胃卜6.8nFU1A2 I1- LF353PR4 ： 1：R2 ： ： n-Wv-10kQ R5R8RSlOQkKKey
11、= A o50%15V33uF.+：5Q% vceR3AAAr10kQlOOkQ Kev热 4 ： , 5Q% ：100kD ey-AU2As LF353P - -VCCR7 A/W-1 2kQ ：；-I - C3-10hE Hq 15VVCCC1lOOnF图 2.3-4移相器由运放LF353两级放大构成，其中，运算放大器 A1与移相网络R1、 R2、W1 C1构成微分电路，理论上可以实现1800超前移相。运算放大器A2与移 相网络R4 R5 W2 C2构成积分电路，理论上可以实现180滞后移相。改变 W1 与W2的大小，可以改变输出信号的相位。5）低通滤波器经过相敏检波器后的信号中任然有一部
12、分干扰信号没有被滤出干净，为了使待测信号更稳定可靠，在此设计一个低通滤波器。6）直流放大器C O:“ 32-LPFVEEVE2VVcfo 3 OP07AHVDD 12V刚刚通过低通滤波器后得到的干净的待测信号，将其适当放大后就可以送入A/D转换采集，最后通过单片机处理后在数码管上显示待测信号有效值。3 .电路与程序设计3.1. 整体电路图3.2.软件程序流程图Yes数据存储至指定 寄存器数码管显示完成4 .测试方案与测试结果4.1. 测试仪器仪器名称型号数量示波器1信号源2交流毫伏表1数字力用表14.2. 测试方案按照题目的各项要求，我们逐条测试。(1)(4)当输入信号S频率分别为900Hz、
13、1000Hz、1100Hz,输入信号电压 有效值在10“V1md间改变时，观察数码管输出有效值，与输入信号有效值相 比较，看误差是否在题目要求范围内。表一 ：f = 900Hz时测试结果输入信号S (t)有效值/V数码管显示电压有效值/V误差表二：f = 1000Hz时测试数据输入信号S (t)有效值/V数码管显示电压有效值/V误差表三：f = 1100Hz时测试数据输入信号S (t)有效值/V数码管显示电压有效值/V误差结果分析:(5)(6)当引入干扰信号n后测试结果见表四表四:输入仔号频率/Hz输入仔号有效值/V数码管显示 有效值/V误差S (t)n(t)S (t)n(t)结果分析：5 .
14、结论本设计中，我们的方案论证从成本、实现难易程度等角度出发，认真选择最 适合这次设计的芯片及元器件。系统电路中相敏检波器能够在信号频率缓慢变化 时有效检测出有用信号，成功的将微小信号放大。但由于时间仓促，还有一些问 题没有很好地解决，没有时间进一步改进系统。通过这次的竞赛使我们懂得了理论与实践实际相结合是很重要的， 只有理论 知识是远远不够的，唯有把所学的理论知识与实践相结合起来， 从理论中得出结 论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 而且，此次竞赛还培养了 我们分工合作的精神，让我们对自己的工作能力树立了信心。相信在以后的工作 学习中会对我们有很大的帮助，是我们学习中一笔宝贵的财富。参考文献1杨素行主编.模拟电子技术基础简明教程.3版.北京：高等教育出版社, 2006.23何桥主编.单片机原理及应用.北京：中国铁道出版社，2008.4郭天祥编著.51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2009.附录程序清单：15