CN206099914U - 一种锁定放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种锁定放大器，包括第一电阻分压网络、第二电阻分压网络、加法器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、移相器和采样与显示电路，干扰信号通过第一电阻分压网络进入到锁定放大器内，参考信号输入后分成两路，一路通过第二电阻分压网络进入，另外一路进入所述移相器，所述移相器的输出端与所述相敏检波器相连。本实用新型的锁定放大器较好地实现了强噪声背景下微弱信号幅度的检测，主要针对微弱信号检测方法中的相敏检波技术进行了研究，对噪声源放大后与正弦干扰信号的叠加、衰减、滤波、检波，最后AD采样处理并显示，构成一套完整的锁定放大***。

Description

一种锁定放大器

技术领域

本实用新型涉及信号检测的技术领域，尤其涉及一种锁定放大器。

背景技术

微弱信号检测是把淹没在噪声中的信号提取出来，检测的方法有很多种，但无论哪种方法，都是利用信号和噪声的某种差异来区分信号和噪声。例如，如果信号具有某种特性，而噪声不具有这种特性，那么就可以利用这种信号所独有的特性把噪声和信号区分开来；有时信号的独有特性在时域并不明显，那就将信号变换到其他域进行分析，找出噪声和信号的差异，例如，小波变换，就是基于这样的思想从噪声中提取信号。但是，如果信号不具备这样的独有特性，例如信号频带和噪声频带重叠，则利用简单的滤波技术是不可能解决问题的，单纯利用窄带化技术也未必奏效，在这种情况下，可以人为地赋予信号某种特性，再利用这种特性来区分放大了的信号和噪声。这类信号必须经过放大，由于微弱信号本身的涨落、背景和放大器噪声的影响，测量灵敏度受到限制。需要噪声系数尽量小的前置放大器，并根据源阻抗与工作频率实用新型最佳匹配；需要研制适合微弱检测原理并能满足特殊需要的器件；利用电子学和信息论的方法，研究噪声的成因和规律，分析信号的特点和相干关系。自从1928年发现电阻中电子的热骚动引起非周期性电压以来，弱检测技术受到普遍重视而得到迅速发展。现有的微弱信号锁定放大器还是存在着采集精度不够、不能确定所检测信号的质量、***只能满足特定情况的下的检测要求等缺点。采用两路正交的同步相干解调电路实现相敏检波，这样无需考虑相干波的相位是否与输入被测信号同相即可检测，但是两路相干波相位必须严格满足90°相位差，有一定的实现难度。

实用新型内容

针对上述现有技术中的不足，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种锁定放大器，通过连续移相使得相敏检波器可以准确调节相干波与信号同相，从而测出正确的信号大小。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种锁定放大器，包括第一电阻分压网络、第二电阻分压网络、加法器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、移相器和采样与显示电路，所述第一电阻分压网络的输出端和第二电阻分压网络的输出端均与所述加法器的输入端连接，所述加法器的输出端与所述带通滤波器的输入端连接，所述带通滤波器的输出端与所述相敏检波器的输入端连接，所述相敏检波器的输出端与所述低通滤波器的输入端连接，所述低通滤波器的输出端与所述采样与显示电路相连接，干扰信号通过第一电阻分压网络进入到锁定放大器内，参考信号输入后分成两路，一路通过第二电阻分压网络进入，另外一路进入所述移相器，所述移相器的输出端与所述相敏检波器相连。本实用新型的锁定放大器较好地实现了强噪声背景下微弱信号幅度的检测，主要针对微弱信号检测方法中的相敏检波技术进行了研究，对噪声源放大后与正弦干扰信号的叠加、衰减、滤波、检波，最后AD采样处理并显示，构成一套完整的锁定放大***。

在本实用新型的一实施中，所述低通滤波器和采样与显示电路之间还设置有直流放大器。

进一步的，所述加法器与所述带通滤波器之间还设置有交流放大器。

在本实用新型的一实施例中，所述移相器与所述相敏检波器之间还设置有比较器。

进一步的，所述移相器包括第一运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1，第一运算放大器的负相输入端与电阻R1连接，第一运算放大器的正相输入端通过电阻R2接地，第一运算放大器的正、负电源端分别连接+12V、-12V电压，电阻R1的另一端通过电容C1与第一运算放大器的正相输入端连接，电阻R3的一端与第一运算放大器的负相输入端和电阻R1之间的连接节点连接，电阻R3的另一端与第一运算放大器的输出端连接，其中电阻R2为可调电阻。

优选地，所述低通滤波器包括第二运算放大器、电阻R4、电阻R5、电容C2和电容C3，所述第二运算放大器的负相输入端通过电容C2与电阻R4连接，第二运算放大器的正相输入端通过电容C3接地，第二运算放大器的负相输入端与第二运算放大器的输出端和电容C2之间的连接节点连接，第二运算放大器的正相输入端还通过电阻R5与所述电阻R4连接。

实施本实用新型，具有如下有益效果：

本实用新型的锁定放大器是基于相敏检波(PSD)和模拟器件的锁定放大器，用于检测高噪声环境下的μV级信号，本实用新型通过电阻衰减网络和加法器实现强噪声干扰待测微弱信号的模拟，微弱信号通过交流放大器放大后进入带通滤波器，滤波器输出信号输入后级的相敏检波器，相敏检波器是由模拟开关构造的开关乘法器，相干波经由移相器与信号相乘，输出信号经低通滤波得到直流分量，再经过直流放大器后送入单片机处理，计算后将结果显示在采样与显示电路中，经测试，本实用新型可准确地测出信号有效值，满足要求。

附图说明

图1是本实用新型提供的锁定放大器的结构框图。

图2是本实用新型提供的锁定放大器的相敏检波器的基本框图。

图3是本实用新型提供的锁定放大器的移相器的电路图。

图4是本实用新型提供的锁定放大器的低通滤波器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，是本实用新型提供的锁定放大器的结构框图。

该锁定放大器包括：第一电阻分压网络、第二电阻分压网络、加法器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、移相器和采样与显示电路，所述第一电阻分压网络的输出端和第二电阻分压网络的输出端均与所述加法器的输入端连接，所述加法器的输出端与所述带通滤波器的输入端连接，所述带通滤波器的输出端与所述相敏检波器的输入端连接，所述相敏检波器的输出端与所述低通滤波器的输入端连接，所述低通滤波器的输出端与所述采样与显示电路相连接，干扰信号通过第一电阻分压网络进入到锁定放大器内，参考信号输入后分成两路，一路通过第二电阻分压网络进入，另外一路进入所述移相器，所述移相器的输出端与所述相敏检波器相连。

具体的，所述低通滤波器和采样与显示电路之间还设置有直流放大器，为了使输入电压为最合适范围，设置直流放大器的输出电压范围为2～3V。所述加法器与所述带通滤波器之间还设置有交流放大器；所述移相器与所述相敏检波器之间还设置有比较器。加法器通过交流放大器第一级实现，当需要与噪声做加法时，负端输入不接地，改为接噪声，第一级的放大倍数为30倍。第二级放大通过控制器放大倍数为20、200或2000倍实现分档，以对应不同电压级别的微弱信号。

本实用新型的相敏检波器采用开关式乘法器，相敏检波器（PSD）的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波，当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大，亦可在相位相反时进行检波，电路略有不同，本实用新型中采用反相，图2为相敏检波器的基本框图。

如图3所示，本实用新型的移相器包括第一运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1，第一运算放大器的负相输入端与电阻R1连接，第一运算放大器的正相输入端通过电阻R2接地，第一运算放大器的正、负电源端分别连接+12V、-12V电压，电阻R1的另一端通过电容C1与第一运算放大器的正相输入端连接，电阻R3的一端与第一运算放大器的负相输入端和电阻R1之间的连接节点连接，电阻R3的另一端与第一运算放大器的输出端连接，其中电阻R2为可调电阻。

移相器的核心部分由电阻电容构成差分输出，可计算出其传递函数为：

观察幅频特性，对其取模，可知：

其中，

可见，本实用新型采用的移相器具有结构简单、无额外增益、稳定性好的特点，且可以实现0到180°相移。

如图4所示，本实用新型的低通滤波器包括第二运算放大器、电阻R4、电阻R5、电容C2和电容C3，所述第二运算放大器的负相输入端通过电容C2与电阻R4连接，第二运算放大器的正相输入端通过电容C3接地，第二运算放大器的负相输入端与第二运算放大器的输出端和电容C2之间的连接节点连接，第二运算放大器的正相输入端还通过电阻R5与所述电阻R4连接。

采用本实用新型的锁定放大器，参考信号Signal输入后分两路，一路进入信号通道，一路送参考通道。Signal在信号通道中经第二电阻分压网络衰减获得待测微弱信号，送加法器与干扰信号叠加。干扰信号Noise经过同结构的第一电阻分压网络，叠加了干扰的微弱信号经带通滤波器滤波后送相敏检波器处理。参考信号Signal在参考通道中先经过移相器移相，使得与信号通道末的微弱信号相位一致，经触发比较器生成驱动方波进入相敏检波器处理。相敏检波器利用模拟开关实现检波，输出信号经低通滤波和直流放大器得到直流分量。由单片机对直流电压进行计算、处理，得到对应微弱信号的有效值，并将其显示在屏幕上。

本实用新型的锁定放大器是基于相敏检波(PSD)和模拟器件的锁定放大器，用于检测高噪声环境下的μV级信号。本实用新型通过电阻衰减网络和加法器实现强噪声干扰待测微弱信号的模拟，微弱信号通过交流放大器放大后进入带通滤波器，滤波器输出信号输入后级的相敏检波器，相敏检波器是由模拟开关构造的开关乘法器，相干波经由移相器与信号相乘，输出信号经低通滤波得到直流分量，再经过直流放大器后送入单片机处理，计算后将结果显示在采样与显示电路中，经测试，本实用新型可准确地测出信号有效值，满足要求。本实用新型的锁定放大器，较好地实现了强噪声背景下微弱信号幅度的检测，主要针对微弱信号检测方法中的相敏检波技术进行了研究，对噪声源放大后与正弦干扰信号的叠加、衰减、滤波、检波，最后AD采样处理并显示，构成一套完整的锁定放大***。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种锁定放大器，其特征在于，包括第一电阻分压网络、第二电阻分压网络、加法器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、移相器和采样与显示电路，所述第一电阻分压网络的输出端和第二电阻分压网络的输出端均与所述加法器的输入端连接，所述加法器的输出端与所述带通滤波器的输入端连接，所述带通滤波器的输出端与所述相敏检波器的输入端连接，所述相敏检波器的输出端与所述低通滤波器的输入端连接，所述低通滤波器的输出端与所述采样与显示电路相连接，干扰信号通过第一电阻分压网络进入到锁定放大器内，参考信号输入后分成两路，一路通过第二电阻分压网络进入，另外一路进入所述移相器，所述移相器的输出端与所述相敏检波器相连。

2.如权利要求1所述的锁定放大器，其特征在于，所述低通滤波器和采样与显示电路之间还设置有直流放大器。

3.如权利要求1所述的锁定放大器，其特征在于，所述加法器与所述带通滤波器之间还设置有交流放大器。

4.如权利要求1所述的锁定放大器，其特征在于，所述移相器与所述相敏检波器之间还设置有比较器。

5.如权利要求1所述的锁定放大器，其特征在于，所述移相器包括第一运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1，第一运算放大器的负相输入端与电阻R1连接，第一运算放大器的正相输入端通过电阻R2接地，第一运算放大器的正、负电源端分别连接+12V、-12V电压，电阻R1的另一端通过电容C1与第一运算放大器的正相输入端连接，电阻R3的一端与第一运算放大器的负相输入端和电阻R1之间的连接节点连接，电阻R3的另一端与第一运算放大器的输出端连接，其中电阻R2为可调电阻。

6.如权利要求1所述的锁定放大器，其特征在于，所述低通滤波器包括第二运算放大器、电阻R4、电阻R5、电容C2和电容C3，所述第二运算放大器的负相输入端通过电容C2与电阻R4连接，第二运算放大器的正相输入端通过电容C3接地，第二运算放大器的负相输入端与第二运算放大器的输出端和电容C2之间的连接节点连接，第二运算放大器的正相输入端还通过电阻R5与所述电阻R4连接。