论文部分内容阅读
摘 要：在测量微弱信号被掩盖在强噪声中的信号时，锁相放大器（Lock-in Amplifier，LIA）表现出了良好的性能。但是由于其本生存在中心频率不稳定、带宽不能太窄及对信号缺乏跟踪能力等缺点，造成对测量微弱信号的限制。对锁相放大器进行一些分析的基础上，设计出一个双相位锁相放大器（Dual Phrase Lock-in Amplifier），并用Pspice/OrCAD进行了实验性的论证。结果表明该放大器可以实现微伏（V）级别的信号识别，噪声信号的均方根值约为1mV，幅值识别准确率在0.5%以内。
关键词：Pspice/OrCAD 双相位锁相放大器 微弱信号 信号检测
中图分类号：TN722 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）004-100-02
1 引言
信息时代需要获取信息，许多科学研究和工程技术的信息需要用检测的方法来获取。当被测信号非常微弱时，易被噪声淹没，对它们的检测往往变得十分困难。随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，微弱信号检测是发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要意义。
微弱信号的检测已经有很多成熟的方法，在时域方面如相关检测、小波分析、取样分析等；在频域方面如频谱分析等。这些方法在某些方面具有一定的局限性，主要表现在门限较低（-10dB左右）、测量精度不高等问题。本文针对以上问题，设计出了一个双相位锁相放大器，方法实用，测量方便。
2 锁相放大原理
2.1 单相位锁相放大器原理
锁相放大器是把被测量信号通过频率变换的方式转变为直流，包括一个乘法器和低通滤波器（LPF）。一般来说，需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0€埃偈淙氲絇SD。上述的锁相放大器，称为单相位锁相放大器，为了能够正常测量振幅和相位，需要有能够调节相位的移相电路。对于参照信号和被测量之间有相位差的电路，将不能准确测量出信号的幅值。
2.2 双相位锁相放大器原理
如果将参照信号相移90€埃褂昧礁鯬SD，这时就可以不需要移相电路将参照信号和被测信号的相位差消除。通过理论可以证明此时从LPF输出电压的幅值和两路信号的相位差没有关系。
移相之前的参考信号：
移相之后的参考信号：
第一路滤波之前的输出信号：
上式表明，PSD输出分成两个部分，前者为被测量信号与参考信号的差频分量，后者为被测量信号与参考信号的和频分量。当被测量信号和参考信号的频率相等时，即f1=f2，差频分量为零，这时差频分量变成PSD直流分量，而和频分量变成变频。即由原来以f1为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心的两个频谱，再经过低通滤波器去除了和频分量。
在经过LPF的第一路输出信号为：U10 = Rcos ，其中R = ， = 1- 2；
在经过LPF的第二路输出信号为：U20 = Rsin ，其中R = ， = 1- 2。
再对两路输出信号进行三角函数运算，便可以得到与相位差无关的直流信号：
R = 。
将得到的R经过A/D转换，便可以直接读取数据。
3 双相位锁相放大器的设计
被噪声掩盖的信号可以经过一个八阶带通滤波器（滤波器的中心频率即为被测信号的频率），在经过滤波器后再经过放大器可以近似恢复被测量信号的原貌。
下面就是最为关键的一步，即把得到的正交信号分别与滤波放大后的信号相乘，再经过低通滤波器，可以得到两路直流信号，其幅值分别为Rcos 和Rsin 。将两路信号做平方和运算再开根号，即可得到与输入信号有效值成正比的直流信号。波形如图1所示。
在经过大约70ms的时间，幅度稳定在一个直流电平上，此时读出该幅值读数即可确定被测量信号的幅值。被噪声掩盖的小信号成功被还原出来。
4 测试结果分析
对相同的噪声中加入不同幅值的1kHz正弦波信号，经多组测量后的结果表示在输入正弦波在10mV以内，相对误差可以控制在1%以内。可以看出，该电路是一种实时性好、精确度高、稳定性好的测量电路。
5 结束语
锁相放大电路在微弱信号检测中有着机器重要的地位，它将被测量的信号从噪声中提取出来，变为直流信号。此思路不论是在工业设计或是通讯系统中，都有应用价值。
参考文献：
[1]高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2004：1-2.
[2]Stanford Research Systems.About Lock-in Amplifiers.http：//www.thinksrs.com/downloads/PDFs/ApplicationNotes/AboutLIAs.pdf.
[3]施风容.锁相放大器的设计[J].湖南工业职业技术学院学报，2007（3）：5-7.
关键词：Pspice/OrCAD 双相位锁相放大器 微弱信号 信号检测
中图分类号：TN722 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）004-100-02
1 引言
信息时代需要获取信息，许多科学研究和工程技术的信息需要用检测的方法来获取。当被测信号非常微弱时，易被噪声淹没，对它们的检测往往变得十分困难。随着科学技术的发展，对微弱信号进行检测的需要日益迫切，微弱信号检测是发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要意义。
微弱信号的检测已经有很多成熟的方法，在时域方面如相关检测、小波分析、取样分析等；在频域方面如频谱分析等。这些方法在某些方面具有一定的局限性，主要表现在门限较低（-10dB左右）、测量精度不高等问题。本文针对以上问题，设计出了一个双相位锁相放大器，方法实用，测量方便。
2 锁相放大原理
2.1 单相位锁相放大器原理
锁相放大器是把被测量信号通过频率变换的方式转变为直流，包括一个乘法器和低通滤波器（LPF）。一般来说，需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0€埃偈淙氲絇SD。上述的锁相放大器，称为单相位锁相放大器，为了能够正常测量振幅和相位，需要有能够调节相位的移相电路。对于参照信号和被测量之间有相位差的电路，将不能准确测量出信号的幅值。
2.2 双相位锁相放大器原理
如果将参照信号相移90€埃褂昧礁鯬SD，这时就可以不需要移相电路将参照信号和被测信号的相位差消除。通过理论可以证明此时从LPF输出电压的幅值和两路信号的相位差没有关系。
移相之前的参考信号：
移相之后的参考信号：
第一路滤波之前的输出信号：
上式表明，PSD输出分成两个部分，前者为被测量信号与参考信号的差频分量，后者为被测量信号与参考信号的和频分量。当被测量信号和参考信号的频率相等时，即f1=f2，差频分量为零，这时差频分量变成PSD直流分量，而和频分量变成变频。即由原来以f1为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心的两个频谱，再经过低通滤波器去除了和频分量。
在经过LPF的第一路输出信号为：U10 = Rcos ，其中R = ， = 1- 2；
在经过LPF的第二路输出信号为：U20 = Rsin ，其中R = ， = 1- 2。
再对两路输出信号进行三角函数运算，便可以得到与相位差无关的直流信号：
R = 。
将得到的R经过A/D转换，便可以直接读取数据。
3 双相位锁相放大器的设计
被噪声掩盖的信号可以经过一个八阶带通滤波器（滤波器的中心频率即为被测信号的频率），在经过滤波器后再经过放大器可以近似恢复被测量信号的原貌。
下面就是最为关键的一步，即把得到的正交信号分别与滤波放大后的信号相乘，再经过低通滤波器，可以得到两路直流信号，其幅值分别为Rcos 和Rsin 。将两路信号做平方和运算再开根号，即可得到与输入信号有效值成正比的直流信号。波形如图1所示。
在经过大约70ms的时间，幅度稳定在一个直流电平上，此时读出该幅值读数即可确定被测量信号的幅值。被噪声掩盖的小信号成功被还原出来。
4 测试结果分析
对相同的噪声中加入不同幅值的1kHz正弦波信号，经多组测量后的结果表示在输入正弦波在10mV以内，相对误差可以控制在1%以内。可以看出，该电路是一种实时性好、精确度高、稳定性好的测量电路。
5 结束语
锁相放大电路在微弱信号检测中有着机器重要的地位，它将被测量的信号从噪声中提取出来，变为直流信号。此思路不论是在工业设计或是通讯系统中，都有应用价值。
参考文献：
[1]高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2004：1-2.
[2]Stanford Research Systems.About Lock-in Amplifiers.http：//www.thinksrs.com/downloads/PDFs/ApplicationNotes/AboutLIAs.pdf.
[3]施风容.锁相放大器的设计[J].湖南工业职业技术学院学报，2007（3）：5-7.