基于鎖相放大原理的微弱信號檢測電路

摘要：針對目前成品鎖相放大器價(jià)格昂貴且體積大，傳統(tǒng)窄帶濾波法性能和靈活性差的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于鎖相放大器原理的微弱信號檢測電路。本電路采用單片機(jī)作為激勵信號和參考信號的發(fā)生器，利用帶關(guān)斷引腳的運(yùn)放實(shí)現(xiàn)相敏檢波器，整個(gè)電路僅使用了5個(gè)運(yùn)算放大器和一些阻容元件。實(shí)驗(yàn)表明，本電路能實(shí)現(xiàn)了從信噪比為0．1的被測信號中提取有用信號幅值的功能，測量誤差控制在5％以內(nèi)。由于本電路有實(shí)現(xiàn)簡單和成本低的特點(diǎn)，稍加修改后可作為模塊電路用到其他測量系統(tǒng)當(dāng)中。
關(guān)鍵詞：微弱信號檢測；鎖相放大器；相關(guān)檢測；正交矢量

    在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中，對于微弱信號的檢測有如下2種常見的方法：
    1)窄帶濾波。即將帶噪聲的微弱信號濾波，根據(jù)需要的輸出信噪比選擇合適的通頻帶帶寬。這種方法由于實(shí)現(xiàn)起來簡單且成本比較低，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是為了得到高的信噪，要求濾波器的通頻帶很窄，這可能存在中心頻率不穩(wěn)定等問題，很難實(shí)現(xiàn)，而且這種方法只能測量單個(gè)頻點(diǎn)的信號，靈活性較差。
    2)相關(guān)檢測。相關(guān)檢測技術(shù)主要利用有用信號的相關(guān)性，以鎖相放大器為例，將待測信號和參考信號相乘，由于參考信號和待測信號有相關(guān)性相關(guān)性，但和噪聲卻沒有相關(guān)性，因而對相乘后的信號進(jìn)行濾波后會得到一個(gè)直流分量，該信號中包含了待測信號的幅值和相位信息。
    由于與窄帶濾波的方法相比，鎖相放大方法可以實(shí)現(xiàn)大得多的信噪比，因而在需要高度精密測量的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于鎖相放大器是一種十分昂貴的儀器，在一般的工程測量領(lǐng)域應(yīng)用的并不多，目前窄帶濾波的方法依然是一般工程測量領(lǐng)域的主流方法。為了測量某被測網(wǎng)絡(luò)的特性，本文利用鎖相放大器的原理，設(shè)計(jì)了一種微弱信號檢測電路用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的窄帶濾波方法，這種電路具有性能好、成本低的特點(diǎn)，并且可以直接作為模塊電路集成到實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中。

1 總體設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)需求
    如圖1所示，將一個(gè)激勵信號輸入到被測網(wǎng)絡(luò)中，通過測量從被測網(wǎng)絡(luò)輸出的信號，我們可以得到被測網(wǎng)絡(luò)的一系列特征信息。激勵信號的頻率范圍為500 Hz到2 kHz。由于被測網(wǎng)絡(luò)的作用，輸出的被測信號中有用信號被噪聲所淹沒，其中噪聲的峰峰值最大為1 V，其的功率譜在100 Hz到1 MHz內(nèi)近似平坦分布；而有用信號的峰峰值在100 mV到200 mV之間。為了準(zhǔn)確的獲取被測網(wǎng)絡(luò)的特性，要求微弱信號檢測電路從噪聲中測量出有用信號的峰峰值，對有用信號的測量精度要求在5％以內(nèi)。

1．2 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，本系統(tǒng)基于正交矢量鎖相放大器的原理實(shí)現(xiàn)，其中包含了兩路相敏檢波器和兩路低通濾波器。單片機(jī)產(chǎn)生兩路相互正交的參考信號，由于被測信號是由單片機(jī)產(chǎn)生的激勵信號通過被測網(wǎng)絡(luò)后得到的信號，因此可以做到被測信號與參考信號同頻。系統(tǒng)中其余各部分的功能如下：

    1)信號通道。信號通道主要是對被測信號進(jìn)行預(yù)濾波和交流放大等處理。預(yù)濾波提高了信號的信噪比，減小了對相敏檢波器的動態(tài)容限的要求，交流放大使得信號在進(jìn)入相敏檢波器時(shí)有合適的幅值。
    2)相敏檢波器。相敏檢波器對被測信號和參考信號進(jìn)行乘法運(yùn)算，并得到它們和頻與差頻信號。由于被測信號和參考信號通頻，和頻信號為直流信號。差頻信號通過后面的低通濾波器濾除。
    3)低通濾波器。低通濾波器濾除和頻信號以及噪聲信號，提到輸出直流信號的信噪比。
    4)單片機(jī)。單片機(jī)產(chǎn)生參考信號以及激勵信號，并通過AD轉(zhuǎn)換器采樣低通濾波器輸出的兩路信號，計(jì)算后得到被測信號的幅值和相位，最終通過LCD顯示測量結(jié)果。

2 理論分析
2．1 相關(guān)檢測原理

    經(jīng)過低通濾波器以后，只要設(shè)置低通濾波器的截止頻率fout，滿足fout≤f，并且其帶寬足夠窄，就可以濾出所有頻率高于截止頻率的信號，這時(shí)同相輸出I，正交輸出Q。
   
    根據(jù)這兩路輸出，進(jìn)行運(yùn)算單元的處理，就可以得到待測有用信號的幅值A(chǔ)和相位φ。
   
2．2 信噪比分析
    由上文的分析可知，為了獲取有用信號，需要在相敏檢波器后面進(jìn)行低通濾波，以濾去和頻信號和噪聲，因此濾波器的帶寬決定了最終信號的信噪比。由于被測信號中噪聲的功率譜特性是近似平坦的，而噪聲的能量與帶寬成正比，在知道了原信噪比和目標(biāo)信噪比以后，就可以求出低通濾波器的帶寬。原信噪比就是被測信號在未進(jìn)過任何處理時(shí)的信噪比，記為SNR1，目標(biāo)信噪比就是進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器前信號的信噪比，記為SNR2。根據(jù)系統(tǒng)需求可得這2個(gè)信噪比為：

    一階低通濾波器的3 dB帶寬與其等效噪聲帶寬的比值約為1：1．5，因此如果低通濾波器采用一階低通濾波器的話，其3 dB帶寬最大為16．7 Hz。本系統(tǒng)為了留余量，將低通濾波器的截止頻率設(shè)置在了5 Hz。

3 電路設(shè)計(jì)
3．1 信號通道
    信號通道的電路原理圖如圖3所示，信號通道由一個(gè)帶通濾波器和一個(gè)放大器組成。由于待測信號的頻率范圍為500 Hz到2 kHz之間，為了保證精度，將帶通濾波器的低頻端轉(zhuǎn)折頻率foutL約為100 Hz，高頻端轉(zhuǎn)折頻率foutH約為10 kHz；由于待測信號源等效內(nèi)阻小于100 Ω，所以濾波器輸入端沒有加跟隨，只是用簡單的一階RC濾波器級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。放大器采用FET輸入型運(yùn)放OPA132實(shí)現(xiàn)，OPA132的增益帶寬積為10 MHz，放大器的放大倍數(shù)為52倍。

3．2 相敏檢波器
    相敏檢波器的電路原理圖如圖4所示。電路采用了兩個(gè)帶關(guān)斷引腳的運(yùn)放TLV2460，當(dāng)運(yùn)放的關(guān)斷引腳(nSHDN)為高電平時(shí)，運(yùn)放正常輸出；當(dāng)運(yùn)放的關(guān)斷引腳為低電平時(shí)，運(yùn)放輸出為為高阻態(tài)。這里使用了一個(gè)同相跟隨器和一個(gè)反相跟隨器并聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)相敏檢波，當(dāng)參考信號為高電平時(shí)，U2為同相輸出，U3為輸出高阻，所以總輸出為同相輸出；當(dāng)參考信號為低電平時(shí)，U2為輸出高阻，U3為反相輸出，所以總輸出為反相輸出。通過這種方法，相當(dāng)于信號通道信號同步于參考信號與+1和-1進(jìn)行了乘法運(yùn)算。采用這種方法進(jìn)行乘法運(yùn)算避免了使用昂貴的模擬乘法器，且精度比模擬乘法器要高。

3．3 低通濾波器
    低通濾波器的電路原理圖如圖5所示。低通濾波器為一個(gè)簡單的一階RC濾波器，截止頻率約為5 Hz。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為了驗(yàn)證電路的性能，設(shè)計(jì)里一個(gè)模擬的被測網(wǎng)絡(luò)。其基本原理是利用電阻分壓模擬網(wǎng)絡(luò)衰減特性，利用加法器將噪聲混到有用信號中。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖6所示，其中橫坐標(biāo)為被測信號中有用信號的峰峰值，縱坐標(biāo)為測量誤差，從圖中可以看到所有測量結(jié)果的誤差都控制在了5％以內(nèi)，而且隨著有用信號峰峰值的增大測量誤差進(jìn)一步減小。

5 結(jié)論
    本文基于鎖相放大器的原理設(shè)計(jì)了一種低成本的微弱信號檢測電路，整個(gè)電路只使用了5個(gè)運(yùn)算放大器和一些阻容元件，有效地實(shí)現(xiàn)了從被噪聲淹沒的信號中提取有用信號的功能。與使用成品鎖相放大器相比本電路有成本低廉、體積小、易集成等優(yōu)點(diǎn)；與傳統(tǒng)的窄帶濾波法相比，本電路有性能好、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。本文中使用的方法不但可以用來測量本文所訴網(wǎng)絡(luò)的特性，稍加修改后還可以作為模塊電路用在諸如RLC阻抗分析、光譜分析等領(lǐng)域。