鎖相放大器又稱鎖定放大器是對正弦信號（含具有窄帶特點的調幅信號）進行相敏檢波的放大器，它實際上是一個模擬的傅立葉變換器，在強噪聲下，利用有用信號的頻率值準確測出有用信號的幅值。應用在科學研究的各個領域中：如通訊、工業、國防、生物、海洋等。這篇文章主要就是和大家一起來了解一下鎖相放大器的設計。

　　本設計對于檢測微弱信號的鎖存放大器進行論述，鎖定放大器主要包括交流放大器、帶通濾波器、相敏檢波器、低通濾波器、直流放大器及液晶顯示等幾個部分。其中，交流放大器以INA128為主要構成部件，實現交流信號的放大從而作為帶通濾波器的輸入；帶通濾波器用UAF42構成，實現對900Hz到1100Hz頻帶范圍的濾波過程，其誤差小于20%；相敏檢波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信號在輸入低通濾波器經直流放大器放大后輸入顯示電路，顯示出被測信號的幅度及有效值。

　　另外，在相敏檢波器部分的方波驅動信號由參考信道的參考信號經觸發整形、移相、比較而來。同時，為了更好的檢測出鎖定放大器的性能，在信號的輸入端增加加法器電路，實現被測信號與干擾信號的1:1疊加，當干擾信號的頻率為1050Hz—2100Hz時，輸出端的測量誤差小于10%。鎖定放大器在實際應用中用途廣泛，尤其對于微弱信號檢測方向站著主導地位，隨著科技的發展已漸漸的融入人類的生活之中，擁有很好的發展前景。

　　一、鎖相放大器設計方案論述

　　對于幅度較小的直流信號或滿編信號，為了防止1/f噪聲和直流放大的直流漂移（例如運算放大器輸入失調電壓的溫度漂移）的不利影響，一般都使用調制器或斬波器將其變換成交流信號后，在進行放大和處理，用帶通濾波器抑制寬帶噪聲，提高信噪比，之后再進行解調和低通濾波，以得到放大了的被測信號。對于微弱的直流和慢變信號，調制后的正弦信號也必然微弱。

　　要達到足夠的信噪比，用于提高信噪比的帶通濾波器的帶寬必須非常窄，Q值必須非常高，這在實際上往往很難實現。而且Q值太高的帶通濾波器往往不穩定，溫度、電源電壓的波動均會是濾波器的中心頻率發生變化，從而導致其通頻帶不能覆蓋信號頻率，使得測量系統無法穩定可靠地進行測量。在這種情況下，利用鎖定放大器可以很好地解決上述問題。

　　本設計為制作一個用來檢測微弱信號的鎖定放大器。首先，交流放大器部分采用INA128作為主要部件，將信號放大后輸入帶通濾波器，帶通濾波器由UAF42構成，可以實現950Hz到1050Hz頻帶范圍的濾波過程，其誤差小于10%；然后，帶通濾波后的信號和同頻同相的方波參考信號送入乘法器，乘法器采用MPY634；再者，乘法器輸出的信號送入低通濾波器，再經直流放大器放大后，由顯示電路顯示出被測信號的幅度有效值。

　　另外，在相敏檢波器部分的方波驅動信號由參考信道的參考信號經觸發整形、移相、比較而來。同時，為了更好的檢測出鎖定放大器的性能，在信號的輸入端增加加法器電路，實現被測信號與干擾信號的1:1疊加，當干擾信號的頻率為1050Hz—2100Hz時，輸出端的測量誤差小于10%。

　　鎖定放大器的流程框圖

　　鎖定放大器的流程框圖如圖1.1所示，主要由交流放大器、帶通濾波器、相敏檢波器、低通濾波器、直流放大器、觸發整形、移相器及方波驅動等模塊構成。

　　鎖相放大器設計總體電路圖

　　二、各部分指標的分析與計算

　　2.1、交流放大器

　　交流放大器部分采用INA128三級同相放大電路放大。根據公式GB=1+50K/R，第一級放大16倍，第二級放大為26倍，第三級放大為26倍，三級相乘最終的放大倍數可達10816倍，滿足設計要求；由此每一級的電阻選擇分別為3.3K、2K、2K。INA128的外圍電路簡單，輸入阻抗高，同時能有效的抑制共模干擾，其電路圖如圖2.1所示。

　　圖2.1交流放大器電路

　　2.2 、帶通濾波器

　　帶通濾波器部分的核心部件為UAF42芯片。UAF42是一款通用有源濾波器，可配置為低通、高通、帶通濾波器。它使用了一種經典的狀態可調的模擬結構，通過一個反向放大器和兩個積分器。積分器包含上1nF電容。這種結構解決了有源濾波器設計的一個重要的難題——獲得緊密對準公差、低損耗電容。它是一種單片集成電路，其中包含了運算放大器、匹配電阻和狀態可調雙極濾波極對所需的精密電容，以及四個獨立的精密運放。對于帶通濾波器的設計，采用Filter42軟件計算出外圍電阻RF1=RF2=158K，達到中心頻率為1000Hz，頻帶范圍為950Hz—1050Hz的濾波要求。其電路如圖2.2所示

　　圖2.2帶通濾波器電路

　　2.3、相敏檢波器

　　相敏檢波器主要部件為MPY634，其電路如圖2.3所示。

　　圖2.3相敏檢波器電路

　　2.4、低通濾波器

　　低通濾波器同樣采用UAF42構成，其外圍電阻分別為44K、470K。電路圖如圖2.4所示。

　　圖2.4低通濾波器電路

　　2.5、直流放大器

　　直流放大器電路如下圖2.5所示。

　　圖2.5直流放大器電路

　　2.6、顯示部分

　　單片機最小系統設計。本設計電流源通過鍵盤模塊輸入給定的電流值傳送給單片機，單片機在接收到信號后進行處理運算，并顯示其給定的電流值，然后經過D/A轉換以輸出電壓，驅動恒流源電路實現電流輸出，并將采樣電阻上的電壓經過A/D轉換輸入單片機系統，通過補償算法進行數值補償處理，調整電流輸出并驅動顯示器當前的電流值。最小系統核心為MSP430，將單片機的引腳用接口引出，電路圖如圖2.6中單片機最小系統模塊所示。

　　圖2.6單片機最小系統

　　A/D轉換器選用具有16位分辨率高精度模數轉換器ADS1115。ADS1115具有一個板上基準和振蕩器，數據通過一個I2C兼容型串行接口進行傳輸，可以選擇4個I2C從地址。如圖2.7所示電路中，ADS1115的SDA與單片機P1.2口相接，SCL與單片機P1.3口相接。上接上拉電阻通過編程模擬ADS1115的通信時序實現對ADS1115的操作。

　　液晶顯示電路設計如圖2.8所示

　　2.7、參考通道部分

　　參考通道部分采用LM324及外圍電阻搭建而成，整個通道分為觸發整形、移相、方波驅動三個部分。其電路圖如圖2.9所示。

　　2.8、自制電源設計

　　本設計共用到電源有2種：即±15V 、 +5V 。電源原理：穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路組成，整流作用是將交流電壓變換成脈動電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓輸出。圖2.10所示的電源電路圖由L7815和L7915組成，輸出±15V電壓給壓控恒流電路中的OP07等器件供電。圖2.11所示為+5V電源電路。

　　三、軟件設計

　　3.1 軟件流程設計

　　軟件流程圖如圖3.1所示

　　四、測試結果與數據分析

　　4.1測試儀器

　　為了確定系統與題目要求的符合程度，對系統中的關鍵部分進行了實際測試。使用儀器設備見表4—1。

　　4.2各部分電路測試結果

　　1）鎖定放大器的設定要求與測試結果如下：

　　（1）外接信號源提供頻率為1kHz的正弦波信號，幅度自定，輸入至參考信號R（t）端。R（t）通過自制電阻分壓網絡降壓接至被測信號S（t）端，S（t）端幅度有效值為 10μV~1mV。

　　結果：外接信號源的頻率為1kHz的正弦波信號，幅度0.25v，通過分壓網絡470倍，S（t）端幅度有效值為 0.5mV，滿足設計要求。

　　（2）參考通道的輸出r（t）為方波信號，r（t）的相位相對參考信號R（t）可連續或步進移相180度，步進間距小于10度。

　　結果：參考通道輸出r（t）為方波信號，r（t）的相位相對參考信號R（t）可實現連續或步進移相180度，步進間距小于10度，滿足設計要求。

　　（3）信號通道的3dB頻帶范圍為900Hz~1100Hz。誤差小于20%。 結果：帶通濾波器的中心頻率為1000 Hz，信號通道的3dB頻帶范圍為900Hz~1100Hz，滿足設計要求。

　　（4）在鎖定放大器輸出端，設計一個能測量并顯示被測信號S（t）幅度有效值的電路。所測量的顯示值與S（t）有效值的誤差小于10%。

　　結果：所設計的鎖定放大器的輸出端能測量被測信號S（t）幅度的有效值，所測量的顯示值與S（t）有效值的誤差為9%，滿足設計要求。

　　（5）在鎖定放大器信號S（t）輸入端增加一個運放構成的加法器電路，實現S（t）與干擾信號n（t）的1:1疊加。

　　結果：鎖定放大器信號S（t）輸入端的加法器電路可以實現S（t）與干擾信號n（t）的1:1疊加，滿足設計要求。

　　（6）用另一信號源產生一個頻率為1050~2100Hz的正弦波信號作為n（t）

　　將其疊加在鎖定放大器的輸入端，信號幅度等于S（t）。n（t）亦可由與獲得S（t）同樣結構的電阻分壓網絡得到。鎖定放大器應盡量降低n（t）對S（t）信號有效值測量的影響，測量誤差小于10%。結果：測量誤差在15%。未能達到設計要求。（7）增加n（t）幅度，使之等于10S（t），鎖定放大器對S（t）信號有效值的測量誤差小于10%。

　　結果：測量誤差在22%。未能達到設計要求。

　　2）測試結果分析未能完全滿足設計要求（6）和（7）。主要原因之一是，參考方波信號和帶通濾波器輸出信號的相位存在一定誤差；主要原因之二是，由于整體電路沒有采用屏蔽線，再加上所使用的儀器精度不夠不可避免地引入噪聲。

　　五、總結

　　本設計對于檢測微弱信號的鎖存放大器進行論述，鎖定放大器主要包括交流放大器、帶通濾波器、相敏檢波器、低通濾波器、直流放大器及液晶顯示等幾個部分。鎖定放大器在實際應用中用途廣泛，尤其對于微弱信號檢測方向站著主導地位，隨著科技的發展已漸漸的融入人類的生活之中，擁有很好的發展前景。

　　在本次設計的過程中，遇到了許多困難，開始設計進度比較慢，但通過仔細的分析和進行多方面的調整后解決了問題，從中我們對電子專業知識與技能得到了更多的理解與提高。比賽中三個人分工明確，積極配合，最終完成了設計，這使我們深刻地體會到了共同協作和團隊精神的重要性。總之，這次比賽對我們每個人都影響非常深刻。