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(méi)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(cè)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(cè)越來(lái)越受到重視，常用的檢測(cè)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(cè)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(cè)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(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(guò)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(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(xiàn)。由開(kāi)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(cè)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(cè)量被測(cè)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(cè)量振幅和相位，其原理如圖2所示。

被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)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(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(cè)信號(hào)的幅值與R的關(guān)系為

通過(guò)式(1)可以測(cè)量被測(cè)信號(hào)的幅值。其中φ為被測(cè)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(guò)集成鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。
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，起著至關(guān)重要的作用。相關(guān)器是相關(guān)函數(shù)的物理模型，是一種完成被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算的電子線路，相關(guān)器又叫相敏檢波器。
設(shè)輸入信號(hào)

上式表明，相敏檢波器的輸出包括兩部分，前者為輸入信號(hào)與參考信號(hào)的差頻分量，后者為和頻分量。當(dāng)被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)相敏檢波以后，信號(hào)頻譜相對(duì)頻率做了相對(duì)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?yàn)閒1=f2，設(shè)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(xiàng)不能通過(guò)低通濾波，所以經(jīng)過(guò)想敏檢的輸出信號(hào)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(shè)計(jì)
根據(jù)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(hào)和AD630作為PSD電路來(lái)設(shè)計(jì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)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(hào)頻率是信號(hào)輸出頻率的兩倍，并且與兩輸入信號(hào)之間的中心頻率保持90°相移，其所輸出的波形不一定對(duì)稱，其要求兩輸入信號(hào)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(shù)字存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)輸入信號(hào)的占空比要求不高，允許輸入非對(duì)稱波形，但其具有很寬的捕捉頻率范圍。基于此設(shè)計(jì)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(hào)相位相對(duì)于U1平移了90°，U2和U4使用相位比較器2，使信號(hào)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(shù)的確定。

參數(shù)的確定參考文獻(xiàn)可知：環(huán)路參數(shù)的計(jì)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(shù)的值，即R3和R4。由參考文獻(xiàn)得振蕩電路各參數(shù)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(shù)的計(jì)算：利用參考文獻(xiàn)的結(jié)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(hào)頻率，本設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)，此信號(hào)中還含有少量的低頻信號(hào)，需要通過(guò)低通濾波濾掉此類(lèi)信號(hào)。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(cè)試結(jié)果分析
針對(duì)該設(shè)計(jì)的電路，輸入被測(cè)電流，得到被測(cè)電壓，從而得到兩者的關(guān)系，測(cè)試多組電流，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從測(cè)試結(jié)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(wěn)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(jié)束語(yǔ)
鎖相放大電路在微弱信號(hào)檢測(cè)中具有較大優(yōu)勢(shì)，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(cè)信號(hào)中與參考信號(hào)同步的那些信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，得到相應(yīng)的直流信號(hào)，此設(shè)計(jì)的鎖相放大電路主要用于檢測(cè)周期性的電壓和電流，對(duì)于非周期性的電壓和電流，可以采用調(diào)制的方法將其調(diào)制成周期性信號(hào)再進(jìn)行檢測(cè)，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(yīng)用價(jià)值。