一種雙相位鎖相放大電路設計

摘要 為更好地提取被噪聲淹沒(méi)的微弱信號，在分析了鎖相放大器原理的基礎上，采用CD4046和AD630設計了一個(gè)雙相位鎖相放大器，并進(jìn)行了實(shí)驗驗證，實(shí)驗驗證結果表明，該放大器可以測量1 mA以下的交流電流，靈敏度為20 mV／mA，精度0．05％，是一種高精度、實(shí)用型鎖相放大電路。
關(guān)鍵詞 鎖相放大電路；CD4046；AD630

隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步，被噪聲掩蓋的各種微弱信號的檢測越來(lái)越受到重視，常用的檢測方法有同步累加和鎖相放大法。文中主要論述一種實(shí)用的鎖定放大器的設計方法。

1 鎖相放大原理
1．1 鎖相放大原理及雙相位鎖相放大器
鎖相放大器的工作原理結構如圖1所示，包括想信號通道，參考通道，相敏檢測器(PSI))和低通濾波器(LPF)。

信號通道對調制正弦信號輸入進(jìn)行交流放大，將微弱信號放大到足以推動(dòng)相敏檢測工作的電平，并且要濾除部分干擾和噪聲。圖中濾波電路選擇帶通濾波電路，經(jīng)過(guò)帶通濾波電路后的信號輸入信號與參考輸入信號進(jìn)入PSD做一個(gè)乘法。PSD的功能是將輸入信號與參考信號進(jìn)行混頻，輸出和頻信號和差頻信號。LPF用于輸出相乘后的差頻信號，同時(shí)濾掉和頻信號，從而得到放大后的微弱信號。參考可以是從外部輸入的某種周期信號，也可以是系統內原先用于調制的載波信號或者用于斬波的信號。在外差式震蕩技術(shù)中被稱(chēng)作本地振蕩，用于做乘法運算實(shí)現的信號，在鎖相放大器中被稱(chēng)作參考信號是從外部輸入的。
頻率變換是通過(guò)乘法運算實(shí)現的，一般的乘法運算模擬電路，其線(xiàn)性度和穩定性均有問(wèn)題，因此，在實(shí)際的鎖相放大器中，頻率變換是采用開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行同步檢波來(lái)實(shí)現。由開(kāi)關(guān)元件所進(jìn)行的同步檢波電路，稱(chēng)作相敏檢波器，相敏檢波器是鎖相放大器的核心。
PSD的輸出信號會(huì )因為輸出信號和參考信號而產(chǎn)生較大變化，因此導致LPF的輸出也會(huì )變化，即鎖相放大器的測量值會(huì )發(fā)生變化。對于單相位鎖相放大器，除了相位差為0之外，在其它相位差情況下，不能很好地測量被測型號的大小，所以此時(shí)應該將參考信號的相位移動(dòng)90°，試用兩個(gè)PSD，組成雙相位鎖相放大器，這樣就能正確的測量振幅和相位，其原理如圖2所示。

被測信號經(jīng)過(guò)放大濾波后分別與兩個(gè)正交的參數信號相乘，再經(jīng)過(guò)低通濾波后得到的是直流分量，直流分量經(jīng)過(guò)放大后輸出，被測信號的幅值與R的關(guān)系為

通過(guò)式(1)可以測量被測信號的幅值。其中φ為被測信號與參考信號的相位差。正交參考信號的產(chǎn)生是通過(guò)集成鎖相環(huán)實(shí)現。
1．2 鎖相放大電路中的相關(guān)器原理
鎖相放大電路中最重要的部分是相關(guān)器(PSD)部分，它是鎖相放大電路的核心，起著(zhù)至關(guān)重要的作用。相關(guān)器是相關(guān)函數的物理模型，是一種完成被測信號和參考信號互相關(guān)函數運算的電子線(xiàn)路，相關(guān)器又叫相敏檢波器。
設輸入信號

上式表明，相敏檢波器的輸出包括兩部分，前者為輸入信號與參考信號的差頻分量，后者為和頻分量。當被測信號與參考信號同步時(shí)，即f1=f2時(shí)，差頻分量為零，這時(shí)差頻分量編程相敏直流電壓分量，而和頻分量為倍頻。其物理意義表示信號經(jīng)過(guò)相敏檢波以后，信號頻譜相對頻率做了相對位移，即由原來(lái)以f1為中心的頻譜遷移至以直流和倍頻為中心的兩個(gè)頻譜，經(jīng)過(guò)低通濾波濾除倍頻分量，從而使輸出變?yōu)?br />
因為f1=f2，設θ=θ1-θ2，則最后經(jīng)過(guò)低通濾波后只有直流分量能通過(guò)，其它與時(shí)間t有關(guān)的項不能通過(guò)低通濾波，所以經(jīng)過(guò)想敏檢的輸出信號經(jīng)過(guò)低通濾波后只剩直流分量。

2 雙相位鎖相放大器的設計
根據以上理論分析：采用集成鎖相環(huán)CD4046來(lái)產(chǎn)生所需要的正交參考信號和AD630作為PSD電路來(lái)設計該電路。鎖相環(huán)是一種反饋控制電路，其目的是消除頻率誤差。CD4046內部結構及引腳如圖3所示，CD4046有兩個(gè)相位比較器，比較器1采用異或門(mén)結構，當兩個(gè)輸入信號的電平狀態(tài)相同時(shí)，比較器輸出為低電平，比較器1輸出的信號頻率是信號輸出頻率的兩倍，并且與兩輸入信號之間的中心頻率保持90°相移，其所輸出的波形不一定對稱(chēng)，其要求兩輸入信號之間的占空比為50％，此時(shí)鎖定范圍最大，相位比較器2是一個(gè)上升的數字存儲網(wǎng)絡(luò )，對輸入信號的占空比要求不高，允許輸入非對稱(chēng)波形，但其具有很寬的捕捉頻率范圍?；诖嗽O計U1和U2采用相位比較器1輸出，使輸出的波形為占空比50％，從而得到最大的鎖定范圍，U3的輸入信號相位相對于U1平移了90°，U2和U4使用相位比較器2，使信號具有很寬的頻率捕捉范圍。此部分的難點(diǎn)在于CD4046中振蕩電路參數的確定。

參數的確定參考文獻可知：環(huán)路參數的計算主要是確定與VCO輸出頻率有關(guān)的電阻R1和R2，電容C1的值以及環(huán)路濾波參數的值，即R3和R4。由參考文獻得振蕩電路各參數如下

其中，10 kΩ≤R1≤1 MΩ；10 kΩ≤R2≤1 MΩ；100 pF≤C1≤0．01μF。
環(huán)路濾波參數的計算：利用參考文獻的結論可知，鑒相器靈敏度，Vcc為供電電源。壓控振蕩器的靈敏度

其中fr為輸入信號頻率，本設計選取η=1，fr=1 500 Hz，C1=0．01 μF，C2=10μF則可推出R1=R2=1 MΩ，R3=112 Ω，R4=212 Ω；總體電路如圖4所示。

由CD4046產(chǎn)生的正交正弦信號經(jīng)過(guò)PSD模塊，輸出兩個(gè)正弦分量和余弦分量的直流信號，此信號中還含有少量的低頻信號，需要通過(guò)低通濾波濾掉此類(lèi)信號。低通濾波電路如圖5所示。

該低通濾波電路的，由此可以算出通帶截止頻率f0=32Hz。

3 測試結果分析
針對該設計的電路，輸入被測電流，得到被測電壓，從而得到兩者的關(guān)系，測試多組電流，測試結果如表1所示。

從測試結果可以看出：在不同的電流下，參考頻率均為1 500 Hz，保證了參考頻率的穩定性，同時(shí)該電路的靈敏度為20 mV／mA，精度為0．05％，表明該電路是一種高精度、實(shí)用的鎖相放大電路。

4 結束語(yǔ)
鎖相放大電路在微弱信號檢測中具有較大優(yōu)勢，和一般交流放大電路不同，其不是簡(jiǎn)單的放大，而是把與待測信號中與參考信號同步的那些信號檢測出來(lái)，得到相應的直流信號，此設計的鎖相放大電路主要用于檢測周期性的電壓和電流，對于非周期性的電壓和電流，可以采用調制的方法將其調制成周期性信號再進(jìn)行檢測，此外還可用于一些氣體濃度傳感器中，具有一定的工業(yè)應用價(jià)值。