年TI杯 江蘇省大學(xué)生電子電路設(shè)計(jì)競賽 C題 一等獎 鎖定放大器 設(shè)計(jì)報(bào)告

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1、 選題： C題 鎖定放大器的設(shè)計(jì) 參賽隊(duì)編號： NJ290 學(xué)生姓名： 田原 惠琦 李一博 2014 江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 TI杯 作品設(shè)計(jì)報(bào)告 摘要 本系統(tǒng)是基于相敏檢波(PSD)技術(shù)的鎖定放大器(LIA)，用于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)干擾背景下uV級微弱信號的有效檢測。本文給出一種基于TI器件的解決方案。系統(tǒng)由信號通道、參考通道、相敏檢波器三部分組成。其中信號通道由加法器、分壓網(wǎng)絡(luò)組成，實(shí)現(xiàn)信號與干擾的疊加并將大信號衰減為微弱信號，參考通道包括移相電路、觸發(fā)整形電路，生成用于驅(qū)動模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)PSD的方波信號。相敏檢波器為核心，檢波后經(jīng)低通濾波輸出

2、直流信號供AD采樣處理。經(jīng)單片機(jī)簡單計(jì)算，在液晶屏上顯示微弱信號幅值。經(jīng)測試，本系統(tǒng)較好完成了微弱信號的檢測。 關(guān)鍵詞：微弱信號檢測鎖定放大相敏檢波 Abstract The system is a lock-in amplifier (LIA) designed with phase sensitive detection (PSD) technique . The amplitude of low-level signal (uV ) added with high noise can be detected correctly. The article describes a so

3、lution using TI devices. The device consists of three modules . The signal channel achieves the superposition of noise and signal . A voltage divider built with pure resistor network is also included in signal channel to produce the low-level signal. The reference channel moves the phase of referen

4、ce input and generate a square wave sequence to drive the analog switch CD4053 which is responsible for the phase-sensitive detection. A low-pass filter is used to extract the DC component of PSD signal which is linear related to the amplitude of the detected low-level signal. The system works well

5、in test. KEY WORDS : Low-level signal , Lock-In amplifier , Phase-sensitive detection 目錄INDEX 一、方案選擇與論證1 1.1方案選擇與論證1 1.2總體設(shè)計(jì)思想1 二、理論分析與計(jì)算3 2.1移相電路3 2.2帶通濾波器3 2.3相敏檢波5 三、電路與程序設(shè)計(jì)7 3.1加法器模塊設(shè)計(jì)7 3.2純電阻分壓電路設(shè)計(jì)7 正弦波信號源分壓7 干擾信號分壓電路8 3.3信號通道與參考通道設(shè)計(jì)9 信號通道9 參考通道9 3.4開關(guān)型相敏檢波器設(shè)計(jì)10 3.5采樣與顯示電路

6、設(shè)計(jì)11 3.6程序流程圖12 四、測量結(jié)果13 4.1無干擾情況13 4.2一倍干擾情況13 4.3十倍干擾情況13 五、結(jié)論14 六、參考文獻(xiàn)15 七、附錄16 A.電源模塊原理圖 16 B.鎖定放大器原理圖16 一、方案選擇與論證 1.1方案選擇與論證 方案一：由晶體二極管和變壓器組成的相敏檢波器，由于變壓器的對稱性差及二極管的非線性,限制了它的使用范圍。 方案二：采用集成模擬乘法器組成的相敏檢波器,雖然采用了集成模擬乘法器,在性能較方案一能有較大提高,但是由于調(diào)試復(fù)雜、價(jià)格高昂。 方案三：采用模擬開關(guān)組成的相敏檢波器,具有調(diào)試方便,動態(tài)范圍大和價(jià)格低廉

7、等優(yōu)點(diǎn)。 綜上所示，選擇方案三作為系統(tǒng)基本方案。 1.2總體設(shè)計(jì)思想 參考信號R(t)輸入后分兩路，一路送信號通道，一路送參考通道。R(t)在信號通道中經(jīng)過3600倍衰減獲得待測微弱信號，送加法器與干擾疊加，是否引入干擾、干擾倍數(shù)可通過切換繼電器控制，且干擾也經(jīng)過同結(jié)構(gòu)純電阻網(wǎng)絡(luò)分壓，疊加了干擾的微弱信號經(jīng)兩階帶通濾波器濾波后送相敏檢波器處理。R(t)在參考通道中先經(jīng)移相電路移相，使得與信號通道末的微弱信號相位一致，經(jīng)觸發(fā)整形生成驅(qū)動方波送相敏檢波器處理。相敏檢波器利用模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)檢波，輸出信號經(jīng)兩階低通濾波提取直流分量。AD進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，單片機(jī)讀取AD值，進(jìn)行簡單計(jì)算處理現(xiàn)實(shí)對應(yīng)微弱信

8、號幅值。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1. 移相電路 ? 純電阻分壓 觸發(fā)整形 PSD 相敏檢波器 干擾選擇 AD采樣顯示 Σ 加法器 干擾源 N(t) 小信號S(t) 參考輸入 R(t) 大信號 R(t) 信號通道 參考通道 純電阻分壓 圖1 總體設(shè)計(jì)框圖 二、理論分析與計(jì)算 2.1移相電路 如圖2所示，該移相電路核心部分由電阻電容構(gòu)成，差分輸出，可計(jì)算出其傳遞函數(shù)為： Hjω=US21-jωRC1+jωRC 觀察幅頻特性，對其取模，可知： Hjω=1 ,argHjω=-2φ 其中， φ=arctan?(ωRC) 可見，圖示移相電

9、路具有結(jié)構(gòu)簡單、無額外增益、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，且可以實(shí)現(xiàn)0到180°相移。 圖2 移相電路核心 2.2帶通濾波器 由題意，本題需要設(shè)計(jì)中心頻率f0=1000Hz，3dB頻帶范圍為900Hz~1100Hz的帶通濾波器。利用TI Filterpro軟件輔助設(shè)計(jì)，取品質(zhì)因數(shù)Q=5，反饋方式為多重反饋，可得通頻帶BW=200Hz,。設(shè)計(jì)電路如圖3，幅頻特性如圖4。 圖3 帶通濾波器 圖4 BPF幅頻特性曲線 2.3 相敏檢波 相敏檢波器分為模擬乘法器和開關(guān)式乘法器，此處采用開關(guān)式乘法器。相敏檢波器（PSD）的本質(zhì)其實(shí)就是對兩個信號之間的相位進(jìn)行檢波，當(dāng)兩個信號同頻同相時(shí)，這時(shí)相敏檢波器相當(dāng)

10、于全波整流，檢波的輸出最大，亦可在相位相反時(shí)進(jìn)行檢波，電路略有不同，本設(shè)計(jì)采用反相。圖5為相敏檢波器的基本框圖。 圖5PSD基本框圖 PSD工作過程如下：設(shè)輸入信號為。參考輸入時(shí)幅度為的方波，其周期為，角頻率為，根據(jù)傅里葉分析的方法，這種周期性函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù) 可得的傅里葉級數(shù)表示式為 上式右邊第一項(xiàng)為差頻項(xiàng)，第二項(xiàng)為和頻項(xiàng)。經(jīng)過LPF的濾波作用，的差頻項(xiàng)及所有的和頻項(xiàng)均被濾除，只剩的差頻項(xiàng)為 當(dāng)方波幅度時(shí)，可以利用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)方波信號的相乘過程，即當(dāng)為時(shí)，電子開關(guān)的輸出連接到；當(dāng)為時(shí)，電子開關(guān)的輸出連接到，這時(shí)LPF的輸出為 當(dāng)經(jīng)過開關(guān)乘法器，角度之差為0時(shí)，輸出信號最大

11、。 三、電路與程序設(shè)計(jì) 3.1加法器模塊電路設(shè)計(jì) INA128是一款精密的低功耗儀表放大器，它具有寬帶寬，極低的失調(diào)電壓（50μV），漂移（0.5μV/℃）和高共模抑制（增益≥100時(shí)120dB）。當(dāng)其1,8管腳懸空時(shí)，它的增益是1，可得輸入信號（Vi）等于標(biāo)準(zhǔn)信號(St)和干擾信號(SW2)的疊加，即Vi=SW2-St。由于干擾信號是正弦波交流信號，故相當(dāng)于給原信號加上了一個干擾信號。電路如圖6所示。 圖6 加法器模塊 3.2純電阻分壓電路設(shè)計(jì) 正弦波信號源分壓 正弦波信號源（Rt）經(jīng)隔直電容后進(jìn)入衰減比為3600：1的網(wǎng)絡(luò)得到St，所以選取分壓電阻分別為3.6k歐和1歐。電路

12、如圖7. 圖7 正弦波信號源分壓 干擾信號（Nt）分壓電路 為實(shí)現(xiàn)干擾信號為零，信號SW2：信號St=1：1，信號SW2：信號St=10:1三種模式的切換，使用兩個繼電器實(shí)現(xiàn)。電路如圖8所示。 當(dāng)SW2的3腳接2腳時(shí)，無干擾信號 當(dāng)SW2的5腳接6腳，SW1的5腳接2腳，Nt:SW2=3600:1，此時(shí)SW2：St=1：1 當(dāng)SW2的5腳接6腳，SW1的5腳接6腳，Nt:SW2=360:1，此時(shí)SW2：St=10：1。 圖8 干擾信號分壓電路 3.3信號通道與參考通道設(shè)計(jì) 3.3.1信號通道 疊加了干擾的微弱信號利用交流放大器使用INA128U精密儀表放大器，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊G

13、=1+50kΩ/Rg，取Rg=68Ω計(jì)算的得G=736。電路為圖9。 圖9 信號前級放大電路 3.3.2參考通道 參考通道包括移相器和比較器。 移相器核心部分由電阻電容組成，移相后的信號接跟隨器，以差分形式輸出，使得幅值與輸入一致。電路如圖10所示。 圖10 移相器電路 移相后的信號經(jīng)一級跟隨送LM311觸發(fā)整形，生成用于驅(qū)動模擬開關(guān)的方波信號。電路如圖11 圖11 觸發(fā)整形電路 3.4開關(guān)型相敏檢測器 信號通道末，帶通濾波器的輸出Vo同時(shí)經(jīng)過輸入到模擬開關(guān)CD4053；信號通道末，經(jīng)過移相電路移相、觸發(fā)整形后的方波信號(與信號反相)Sq用于驅(qū)動模擬開關(guān)工作，模擬開關(guān)切換實(shí)現(xiàn)

14、+1/-1的乘法功能，完成對信號的PSD調(diào)制。 其輸出信號經(jīng)兩階低通濾波器實(shí)現(xiàn)輸出與待測信號值有線性關(guān)系的直流信號，經(jīng)參數(shù)匹配后可有效濾除交流信號。 輸出最后再經(jīng)過一級直流放大輸出給AD供采樣。具體電路為圖12。 圖12 相敏檢波器電路 3.5采樣與顯示電路設(shè)計(jì) AD采樣電路如圖所示，AD7991通過IIC總線與單片機(jī)相連。圖13. 圖13 AD7991電路 控制部分如圖所示，采用TI公司MSP-3XP430F5529LP Launchpad開發(fā)板作為控制平臺，連接外圍I/O器件，由AD讀取采樣值，經(jīng)簡單計(jì)算輸出檢測結(jié)果。電路框圖如圖14所示。 AD采樣輸入 數(shù)字電位器控制

15、 TFT液晶控制信號 觸摸屏信號輸入 XPT2046 電阻式觸摸屏 AD轉(zhuǎn)換電路 ILI9325 320*240 液晶驅(qū)動電路 液晶顯示器 觸摸屏 MSP-EXP430F5529LP Launchpad 圖14 控制電路框圖 主函數(shù) main() 中斷服務(wù)程序 ISRs 中斷1標(biāo)志置位 清中斷標(biāo)志 置無操作標(biāo)志 中斷2標(biāo)志置位 清中斷標(biāo)志 清無操作標(biāo)志 等待 取樣完成 中斷3標(biāo)志置位 根據(jù)全局功能變量顯示觸屏對應(yīng)菜單 (長時(shí)間無操作) 初始化操作： 1、 時(shí)鐘配置 2、 初始化IO口 3、 各模塊初始化 4、 各變量初始

16、化 5、 中斷配置 6、 開機(jī)動畫 進(jìn)入低功耗模式 程序開始 中斷標(biāo)志1置位 長時(shí)無操作 ISR1 秒鐘源 中斷標(biāo)志2置位 ISR2 測量模式 清測量模式標(biāo)志 根據(jù)取樣結(jié)果擬合并計(jì)算實(shí)際測量結(jié)果，顯示結(jié)果 ? 進(jìn)測量模式？ 測量模式標(biāo)志置位 中斷標(biāo)志3置位 ISR3 觸摸屏觸發(fā) 獲取觸摸坐標(biāo) 清中斷標(biāo)志 清無操作標(biāo)志 3.6程序流程圖： 四、測量結(jié)果 實(shí)際測量結(jié)果如表所示。 4.1 無干擾情況 理論值(mV) 1 0.8 0.5 0.2 0.1 0.08 0.05 0.02 0.01 實(shí)測值(mV) 1.02

17、354 0.81211 0.52372 0.18859 0.09104 0.08179 0.048764 0.02003 0.00970 表1 無干擾測量結(jié)果 4.2 一倍干擾情況 理論值(mV) 1 0.8 0.5 0.2 0.1 0.08 0.05 0.02 0.01 實(shí)測值(mV) 1.02241 0.80210 0.49365 0.18596 0.10104 0.07973 0.053664 0.02013 0.01528 表2一倍干擾測量結(jié)果 4.3 十倍干擾情況 理論值(mV) 1

18、 0.8 0.5 0.2 0.1 0.08 0.05 0.02 0.01 實(shí)測值(mV) 0.98748 0.79217 0.51385 0.19596 0.10231 0.07276 0.05360 0.01927 0.00922 表3三倍干擾測量結(jié)果 五、結(jié)論 本設(shè)計(jì)為鎖定放大器，較好地實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)噪聲背景下微弱信號幅度的檢測。設(shè)計(jì)過程中，主要針對微弱信號檢測方法中的相敏檢波技術(shù)進(jìn)行了研究。該作品主要基于德州儀器公司模擬器件實(shí)現(xiàn)，對噪聲源放大后與正弦干擾信號的疊加、衰減、濾波、檢波，最后AD采樣處理并顯示，構(gòu)成一套完整的鎖

19、定放大系統(tǒng)。 為期四天的競賽，我們每個人都受益匪淺。準(zhǔn)備過程中，我們學(xué)會了繪制PCB、用化學(xué)方法自制PCB板，也熟悉了MSP430F5529的編程，熟悉了TI公司各類模擬器件的使用……我們學(xué)到了很多的知識，也感受到了理論與實(shí)際的區(qū)別。我們懂得了理論與實(shí)踐實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。 我們在競賽的過程中遇到了很多問題，我們一度沮喪萬分，但是我們堅(jiān)持了下來，最終完成了作品的制作。在這過程中也對自己有了重新的認(rèn)識，了解到了自己的不足之處，也意識到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。四天的比賽對我們來說是非常難得的人生體驗(yàn)：熬夜調(diào)硬件，通宵寫程序，白天吃泡面，晚上睡實(shí)驗(yàn)室，解決一個問題，遇到另一個問題……這段經(jīng)歷，必將成為我們今后學(xué)習(xí)生活中一筆寶貴的財(cái)富。 最后感謝學(xué)校和TI公司提供這次參賽機(jī)會，讓我們在實(shí)踐中汲取知識、不斷成長。 六、參考文獻(xiàn) [1] 高晉占. 微弱信號檢測[M]. 清華大學(xué)出版社, 2004. [2] Carter B, Mancini R. 運(yùn)算放大器權(quán)威指南[J]. 2010. 附錄 A、 電源板原理圖： 圖16電源板原理圖 B、鎖定放大器電路原理圖： 圖17鎖定放大器原理圖