2014年TI杯 江蘇省大學(xué)生電子電路設(shè)計競賽 C題 一等獎 鎖定放大器 設(shè)計報告

2014江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計競賽TI杯作品設(shè)計報告選題：C題鎖定放大器的設(shè)計參賽隊編號：NJ290學(xué)生姓名:田原惠琦李一博摘要本系統(tǒng)是基于相敏檢波(PSD)技術(shù)的鎖定放大器(LIA),用于實現(xiàn)強干擾背景下 uV級微弱信號的有效檢測。本文給出一種基于TI器件的解決方案。系統(tǒng)由信號通道、 參考通道、相敏檢波器三部分組成。其中信號通道由加法器、分壓網(wǎng)絡(luò)組成，實現(xiàn) 信號與干擾的疊加并將大信號衰減為微弱信號，參考通道包括移相電路、觸發(fā)整形 電路，生成用于驅(qū)動模擬開關(guān)實現(xiàn)PSD的方波信號。相敏檢波器為核心，檢波后經(jīng) 低通濾波輸出直流信號供AD采樣處理。經(jīng)單片機簡單計算，在液晶屏上顯示微弱信 號幅值。經(jīng)測試，本系統(tǒng)較好完成了微弱信號的檢測。關(guān)鍵i司：微弱信號檢測鎖定放大相敏檢波AbstractThe system is a lock-in amplifier (LIA) designed with phase sensitive detection (PSD) tecluiique The amplitude of low-level signal (iW ) added with high noise can be detected coixectly. The article describes a solution using TI devicesThe device consists of thiee modules The signal channel achieves the supeiposition of noise and signal A voltage divider built with pure resistor nehvork is also included in signal channel to produce the low-level signal. The reference channel moves the phase of reference input and generate a square wave sequence to drive the analog switch CD4053 which is responsible for the phase-sensitive detection. A low-pass filter is used to extract the DC component of PSD signal which is linear related to the amplitude of the detected low-level signal. The system works well in test.KEY WORDS : Low-level signal, Lock-In amplifier , Phase-sensitive detection目錄INDEX一、方案選擇與論證11.1方案選擇與論證11.2總體設(shè)計思想1、j j 匕一 32.1移相電路32.2帶通濾波器32.3相敏檢波5三、電路與程序設(shè)計73.1加法器模塊設(shè)計73.2純電阻分壓電路設(shè)計7正弦波信號源分壓7干擾信號分壓電路83.3信號通道與參考通道設(shè)計9331信號通道9332參考通道93.4開關(guān)型相敏檢波器設(shè)計103.5采樣與顯示電路設(shè)計113.6程序流程圖12四、測量結(jié)果134.1無干擾情況134.2 一倍干擾情況134.3十倍干擾情況13五、結(jié)論14六、參考文獻(xiàn)15七、附錄16A.電源模塊原理圖 16B鎖定放大器原理圖16、方案選擇與論證1.1方案選擇與論證方案一：由晶體二極管和變壓器組成的相敏檢波器，由于變壓器的對稱性差及 二極管的非線性，限制了它的使用范圍。方案二：釆用集成模擬乘法器組成的相敏檢波器，雖然釆用了集成模擬乘法器, 在性能較方案一能有較大提高,但是由于調(diào)試復(fù)雜、價格高昂。方案三：采用模擬開關(guān)組成的相敏檢波器,具有調(diào)試方便，動態(tài)范圍大和價格低廉 等優(yōu)點。綜上所示，選擇方案三作為系統(tǒng)基本方案。1 2總體設(shè)計思想?yún)⒖夹盘朢(t)輸入后分兩路，一路送信號通道，一路送參考通道。R在信號通 道中經(jīng)過3600倍衰減獲得待測微弱信號，送加法器與干擾疊加，是否引入干擾、干 擾倍數(shù)可通過切換繼電器控制，且干擾也經(jīng)過同結(jié)構(gòu)純電阻網(wǎng)絡(luò)分壓，疊加了干擾 的微弱信號經(jīng)兩階帶通濾波器濾波后送相敏檢波器處理。R(t)在參考通道中先經(jīng)移相 電路移相，使得與信號通道末的微弱信號相位一致，經(jīng)觸發(fā)整形生成驅(qū)動方波送相 敏檢波器處理。相敏檢波器利用模擬開關(guān)實現(xiàn)檢波，輸出信號經(jīng)兩階低通濾波提取 直流分量。AD進(jìn)行釆樣轉(zhuǎn)換，單片機讀取AD值，進(jìn)行簡單計算處理現(xiàn)實對應(yīng)微弱 信號幅值?？傮w設(shè)計框圖如圖1.R（t）參考通道；3 AD采樣顯示圖1總體設(shè)計框圖二、理論分析與計算2. 1移相電路如圖2所示，該移相電路核心部分由電阻電容構(gòu)成，差分輸出，可計算出其傳遞函數(shù)為：嘶育仁淀)觀察幅頻特性，對其取模，可知:|H(j3)| = l,arg(H(ja) = -2(p其中，(P = arctan (a)RC)可見，圖示移相電路具有結(jié)構(gòu)簡單、無額外增益、穩(wěn)定性好的特點，且可以實現(xiàn)0到180°相移。圖2移相電路核心2. 2帶通濾波器由題意，本題需要設(shè)計中心頻率f0=1000Hz, 3dB頻帶范圍為900Hz1100Hz的 帶通濾波器。利用TI Filteipro軟件輔助設(shè)計，取品質(zhì)因數(shù)Q=5,反饋方式為多重反 饋，可得通頻帶BW=200Hz,o設(shè)計電路如圖3,幅頻特性如圖4。(8P)喬Filter Stage:Passband Gain缶 FrequencyQualityFactor (Q)： Passband BW. rBWi：Filter Response:Circuit Topology:111kHz5200 H zBesselMultipleFeedbackMin GBW reqdj 500 kHz圖3帶通濾波器Actual Gam (dB) Original Gain (dB) Actual Phase (deg) / Original Pnase (deg)leOleile2le3le4le5le6Frequency (Hz)Phase (deg)圖4 EPF幅頻特性曲線2. 3相敏檢波相敏檢波器分為模擬乘法器和開關(guān)式乘法器，此處采用開關(guān)式乘法器。相敏檢 波器(PSD)的本質(zhì)其實就是對兩個信號之間的相位進(jìn)行檢波，當(dāng)兩個信號同頻同相 時，這時相敏檢波器相當(dāng)于全波整流，檢波的輸出最大，亦可在相位相反時進(jìn)行檢 波，電路略有不同，本設(shè)計采用反相。圖5為相敏檢波器的基本框圖。圖5 PSD基本框圖PSD工作過程如下：設(shè)輸入信號為x(/) = «cos(dV + 8)。參考輸入MO時幅度為 土兒的方波，其周期為卩，角頻率為% =,根據(jù)傅里葉分析的方法，這種周期性函數(shù)可以展開為傅里葉級數(shù)00 8W) = °0 + 工 am cos mcoQt + 工 bm sill COQt加=1可得廠的傅里葉級數(shù)表示式為4V 00r(r)=vgcos(2,?-lw/|=1也5)“=警£輕嚴(yán)s一 2則-0 +等£船cos則+ 0)上式右邊第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過LPF的濾波作用，” >1的差 頻項及所有的和頻項均被濾除，只剩 =1的差頻項為2VVu (/) = COS&八兀當(dāng)方波幅度匕=1時，可以利用電子開關(guān)實現(xiàn)方波信號的相乘過程，即當(dāng)“°為+1時，電子開關(guān)的輸出連接到“：當(dāng)廠為T時，電子開關(guān)的輸出連接到一“，這時LPF的輸出為2Vu()(f) = cos。 。71當(dāng)經(jīng)過開關(guān)乘法器，角度之差為0時，輸出信號最大。三、電路與程序設(shè)計3. 1加法器模塊電路設(shè)計INA128是一款精密的低功耗儀表放大器，它具有寬帶寬，極低的失調(diào)電壓（50 P V），漂移（0.5uV/°C）和高共模抑制（增益2100時120dB） 當(dāng)其1,8管腳懸 空時，它的增益是1,可得輸入信號（Vi）等于標(biāo)準(zhǔn)信號（St）和干擾信號（SW2）的疊加， 即Vi=SW2-Sto由于干擾信號是正弦波交流信號，故相當(dāng)于給原信號加上了一個干 擾信號。電路如圖6所示。3. 2純電阻分壓電路設(shè)計3. 2. 1正弦波信號源分壓正弦波信號源（Rt）經(jīng)隔直電容后進(jìn)入衰減比為3600： 1的網(wǎng)絡(luò)得到St,所以選取分壓電阻分別為3.6k歐和1歐。電路如圖7.C12R22T 122OUF l0k 占ScGND圖7正弦波信號源分壓干擾信號(Nt)分壓電路為實現(xiàn)干擾信號為零，信號SW2：信號St=l： 1,信號SW2：信號St=10:l三種 模式的切換，使用兩個繼電器實現(xiàn)。電路如圖8所示。當(dāng)SW2的3腳接2腳時，無干擾信號當(dāng) SW2 的 5 腳接 6 腳,SW1 的 5 腳接 2 腳，Nt:SW2=3600:l,此時 SW2： St=l：1當(dāng) SW2 的 5 腳接 6 腳，SW1 的 5 腳接 6 腳，Nt:SW2=360:l,此時 SW2： St=10：圖8干擾信號分壓電路3. 3信號通道與參考通道設(shè)計3. 3.1信號通道疊加了干擾的微弱信號利用交流放大器使用INA128U精密儀表放大器，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊G=l+50kQ/Rg,取Rg=68 Q計算的得G=736。電路為圖9。12VV1U5RG RG+VIN-OUTIN-VREFINA128UC 14C1I JIO.IuFR螂吧三2kIk（；ND_ 10uF716VC20GND-I2V圖9信號前級放大電路3. 3. 2參考通道參考通道包括移相器和比較器。移相器核心部分由電阻電容組成，移相后的信號接跟隨器，以差分形式輸出, 使得幅值與輸入一致。電路如圖10所示。移相后的信號經(jīng)一級跟隨送LM311觸發(fā)整形，生成用于驅(qū)動模擬開關(guān)的方波信 號。電路如圖11圖11觸發(fā)整形電路3. 4開關(guān)型相敏檢測器信號通道末，帶通濾波器的輸出同時經(jīng)過輸入到模擬開關(guān)CD4053；信號通 道末，經(jīng)過移相電路移相、觸發(fā)整形后的方波信號（與信號反相）Sq用于驅(qū)動模擬開 關(guān)工作，模擬開關(guān)切換實現(xiàn)+1/-1的乘法功能，完成對信號的PSD調(diào)制。其輸出信號經(jīng)兩階低通濾波器實現(xiàn)輸出與待測信號值有線性關(guān)系的直流信號， 經(jīng)參數(shù)匹配后可有效濾除交流信號。輸出最后再經(jīng)過一級直流放大輸出給AD供采樣。具體電路為圖12。圖12相敏檢波器電路3. 5采樣與顯示電路設(shè)計AD采樣電路如圖所示，AD7991通過IIC總線與單片機相連。圖13.CJO IOu圖13 AD7991電路控制部分如圖所示，釆用TI公司MSP-3XP430F5529LP Launchpad開發(fā)板作為 控制平臺，連接外圍I/O器件，由AD讀取釆樣值，經(jīng)簡單計算輸出檢測結(jié)果。電路 框圖如圖14所示。站 IfexAS InstrumentsMSP-EXP430F5529LPLaunchpad| TFT液晶控制ILI9325 320*240 液晶驅(qū)動電路液晶顯示器 觸摸屏屏信號輸入|XPT2046 電阻式觸摸屏 AD轉(zhuǎn)換電路圖14控制電路框圖3. 6程序流程圖:中斷服務(wù)程序ISRs根據(jù)全局功能變 量顯示觸屏對應(yīng) 菜單四、測量結(jié)果實際測量結(jié)果如表所示。4.1無干擾情況理論值 (mV)10.80.50.20.10.080.050.020.01實測值(m'J1.023540.812110.523720.188590.091040.081790.0487640.020030.00970表1無干擾測量結(jié)果4. 2 一倍干擾情況理論值(mV)10.80.50.20.10.080.050.020.01實測值(m'J1.022410.802100.493650.185960.101040.079730.0536640.020130.01528表2倍干擾測量結(jié)果4. 3十倍干擾情況理論值(m'J10.80.50.20.10.080.050.020.01實測值(m'J0.987480.792170.513850.195960.102310.072760.053600.019270.00922表3三倍干擾測量結(jié)果五、結(jié)論本設(shè)計為鎖定放大器，較好地實現(xiàn)了強噪聲背景下微弱信號幅度的檢測。設(shè)計 過程中，主要針對微弱信號檢測方法中的相敏檢波技術(shù)進(jìn)行了研究。該作品主要基 于徳州儀器公司模擬器件實現(xiàn)，對噪聲源放大后與正弦干擾信號的疊加、衰減、濾 波、檢波，最后AD釆樣處理并顯示，構(gòu)成一套完整的鎖定放大系統(tǒng)。為期四天的競賽，我們每個人都受益匪淺。準(zhǔn)備過程中，我們學(xué)會了繪制PCE、 用化學(xué)方法自制PCB板，也熟悉了 MSP430F5529的編程，熟悉了 TI公司各類模擬 器件的使用我們學(xué)到了很多的知識，也感受到了理論與實際的區(qū)別。我們懂得 了理論與實踐實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的 理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實際動手能力和 獨立思考的能力。我們在競賽的過程中遇到了很多問題，我們一度沮喪萬分，但是我們堅持了下 來，最終完成了作品的制作。在這過程中也對自己有了重新的認(rèn)識，了解到了自己 的不足之處，也意識到了團(tuán)隊合作的重要性。四天的比賽對我們來說是非常難得的 人生體驗：熬夜調(diào)硬件，通宵寫程序，白天吃泡面，晚上睡實驗室，解決一個問題， 遇到另一個問題這段經(jīng)歷，必將成為我們今后學(xué)習(xí)生活中一筆寶貴的財富。最后感謝學(xué)校和TI公司提供這次參賽機會，讓我們在實踐中汲取知識、不斷成 長。六、參考文獻(xiàn)1 高晉占.微弱信號檢測M.清華大學(xué)出版社有限公司,2004.2 Carter B, Mancini R.運算放大器權(quán)威指南J 2010.A、電源板原理圖:附錄-Il1u»1K44<MllllXk HVI VPUI2斗=：1 :H1u»輩|tnHci.U-2Hc»»Lr2圖16電源板原理圖B、鎖定放大器電路原理圖:圖17鎖定放大器原理圖