一種雙相位鎖相放大電路設(shè)計(jì)

摘要 為更好地提取被噪聲淹沒的微弱信號(hào)，在分析了鎖相放大器原理的基礎(chǔ)上，采用CD4046和AD630設(shè)計(jì)了一個(gè)雙相位鎖相放大器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)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

隨著科技的不斷進(jìn)步，被噪聲掩蓋的各種微弱信號(hào)的檢測越來越受到重視，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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)如圖1所示，包括想信號(hào)通道，參考通道，相敏檢測器(PSI))和低通濾波器(LPF)。

信號(hào)通道對(duì)調(diào)制正弦信號(hào)輸入進(jìn)行交流放大，將微弱信號(hào)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)過帶通濾波電路后的信號(hào)輸入信號(hào)與參考輸入信號(hào)進(jìn)入PSD做一個(gè)乘法。PSD的功能是將輸入信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出和頻信號(hào)和差頻信號(hào)。LPF用于輸出相乘后的差頻信號(hào)，同時(shí)濾掉和頻信號(hào)，從而得到放大后的微弱信號(hào)。參考可以是從外部輸入的某種周期信號(hào)，也可以是系統(tǒng)內(nèi)原先用于調(diào)制的載波信號(hào)或者用于斬波的信號(hào)。在外差式震蕩技術(shù)中被稱作本地振蕩，用于做乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的信號(hào)，在鎖相放大器中被稱作參考信號(hào)是從外部輸入的。
頻率變換是通過乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，一般的乘法運(yùn)算模擬電路，其線性度和穩(wěn)定性均有問題，因此，在實(shí)際的鎖相放大器中，頻率變換是采用開關(guān)元件進(jìn)行同步檢波來實(shí)現(xiàn)。由開關(guān)元件所進(jìn)行的同步檢波電路，稱作相敏檢波器，相敏檢波器是鎖相放大器的核心。
PSD的輸出信號(hào)會(huì)因?yàn)檩敵鲂盘?hào)和參考信號(hào)而產(chǎn)生較大變化，因此導(dǎo)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(duì)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(hào)的大小，所以此時(shí)應(yīng)該將參考信號(hào)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(hào)經(jīng)過放大濾波后分別與兩個(gè)正交的參數(shù)信號(hào)相乘，再經(jīng)過低通濾波后得到的是直流分量，直流分量經(jīng)過放大后輸出，被測信號(hào)的幅值與R的關(guān)系為

通過式(1)可以測量被測信號(hào)的幅值。其中φ為被測信號(hào)與參考信號(hào)的相位差。正交參考信號(hào)的產(chǎn)生是通過集成鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。