锁定放大器的设计与实现【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 锁定放大器的设计与实现 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 微弱信号检测是随着工程应用而不断发展的一门学科。对于强噪声背景环境下微弱信号检测方法的研究是信号处理技术中的综合技术和尖端领 域，随着社会及科技的发展，微弱信号检测已经在物理、化学、天文、生物、医学以及多种工程应用领域得到了相当广泛的应用，在国内外越来越得到重视。 锁定放大器 (Lock-in Amplifier)作为微弱信号检测的常用仪器，是相关检测的一种具体应用，具有抑制噪声和相敏检波的双重功能，可同时起到窄带滤波和相敏检波的作用，

2、是一种从噪声中检测信号的高灵敏度交流电压表。 在分析了锁定放大器的电路构成、工作原理与设计要求的前提下，针对相关检测的思想，分别设计了模拟噪声，信号通道，参考通道，互相关器等各部分的电路，构建了一个可 以将深埋在噪声中的信号检测出来的锁定放大器，最后在Multisim8.0软件中进行了仿真测试。 关键词： 噪声；微弱信号检测；相关检测；锁定放大器；仿真 - 2 - Abstract The weak signal examination is a discipline which develops unceasingly with the project application Regardi

3、ng the strong noise background environment， the weak signal examination method research is comprehensive technology and the state-of-art domain in the signal processing technology, along with social and the technical development， the weak signal examination already in physical， chemistry, the astron

4、omy, biological， the medicine as well as the many kinds of projects application domain obtained the quite widespread application， in domestic and foreign more and more takes into account. Lock-in amplifier used as weak signal detection apparatus, is a specific application belonging to correlate dete

5、ction, and owns the dual function of inhibition about noise and phase-sensitive detector. It can play the roles of a narrow-band filtering and phase sensitive detection at the same time, and it is a high sensitivity AC voltmeter of detecting signal from the noise. On the premise of a lot analysis ab

6、out circuits, the working principle and design requirements of the lock-in amplifier, the author has put forward his own ideas about design of the various circuits about simulated noise, signal channel, reference channel, cross correlator and so on, developing out of a lock-in amplifier, which can d

7、etect signal covered by strong noise, and finally used Multisim8.0 software simulation testing. Key Words: noise; weak signal detection; correlate detection; lock-in amplifier - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.1 概述 .1 1.2 国内外锁定放大器的研究现状 .1 1.3 本文的主要工作 .2 2 微弱信号检测与锁定放大器 .4 2.1 微弱信号检测的方法 .4 2.1.1 取样积分法 .4 2.1.2 双路消噪

8、法 .5 2.1.3 相关检测法以及其他 .6 2.2 锁定放大器的工作原理 .8 3 锁定放大器的设计 .10 3.1 锁定放大器的整体设计 .10 3.2 各功能模块的设计方案 . 11 3.2.1 输入信号 . 11 3.2.2 信号通道模 块 .12 3.3.3 参考通道模块 .14 3.3.4 相关器模块 .15 4 仿真与测试 .17 4.1 信号通道的仿真与测试 .17 4.1.1 输入信号 .17 4.1.2 信号通道 .18 4.2 参考通道的仿真与测试 .20 4.3 相关器的仿真与测试 .21 4.4 锁定放大器整体电路的仿真与测试 .23 5 结论 .25 致 谢 .

9、错误 !未定义书签。 参考文献 .26 附录 1 实验原理图 .27 附录 2 毕业设计作品说明书 .28 - 1 - 1 引言 1.1 概述 微弱信号在如今的各类科研活动中总是大量存在，比如雷达系统中的回波信号的检测与判决，光学中的脉冲瞬态光谱和天文学中的形体光谱，唐策潜艇的声纳系统中的微弱回波信号，生物医学中的生物电荷生物磁的测量，地址探测中地下油田的油层和岩层的反射波 1，等等。由于这类信号及其微弱，一般都淹没在测试设备和一起的本底噪声中，待测的微弱信号 本身的涨落以及所用传感器的本地波动与测量仪表的噪声影响已经无法区分。所表现出来的总效果是：有用的待测信号被大量的噪声和干扰所淹没。此时

10、，用常规的测量方法通常是无法进行检测的。 微弱信号检测技术是一门理论和技术相结合的新兴科学，它运用近年来迅速发展起来的电子学、信息论和物理学方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，采用一系列的信号处理方法，达到检测被背景噪声覆盖的微弱信号。在这些方法中，锁定放大技术是其中一种被使用得最广泛得方法也被认为是最为有效的方法。运用微弱信号检测技术可以 测量到传统观念认为不能测量的微弱信号，如弱光、小位移、微震动、微温差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流等，使微弱信号测量精度得到很大的提高 2。 如今市场上较为成熟的微弱信号检测仪器主要有：低噪声放大器、锁定放大器、取样

11、积分器和光子计数器等等。其中锁定放大器 (Lock in Amplifier)是以最大似然估计理论为基础，以平稳随机过程模型的相关矩阵参量特征分解，来实现噪声中微弱信号参量测量的相关检测装置。这种仪器能够测到输入信噪比达104的微弱正弦量，相当于一个具有带宽 B小于 O 0004HZ的中心频率 可调的带通滤波器 2。锁定放大器现状已经被大量地应用于物理、化学等科学领域研究中，如分子束质谱仪、扫描电镜 SEM、软 x线激发电位能谱仪 SXAPS、俄歇电子质谱仪Auger等，是微弱信号检测领域中不可缺少的测量仪器 3。 1.2 国内外锁定放大器的研究现状 自 1962年美国 PARC(Prince

12、ton Applied Research Corporation)公司研制出- 2 - 第一台用于测量微弱正弦信号的锁定放大器 (Lock in Amplifier)，成功地解决了大量二次电子背景中的 Auger电子测量，锁定放大器 成为物质表面组份分析和表面电子能态研究的重要手段。国内外对于锁定放大器的研究在过去的四十年时间也获得了很大的进步，从其检测频带、动态范围的拓宽到检测精度的提高都有了数量级的飞跃。同时在数字电子技术的发展下，尤其是数字信号处理技术的发展，锁定放大器也由模拟型向数字型发展，极大改善了锁定放大器的性能，使锁定放大器的研究发展和应用得到很大的提高 4。 国外对锁定放大器研

13、究比较早，开发出系列模拟型和数字型锁定放大器。较成熟的产品有：美国 EG&G公司 (原 PARC)研制的 124A模拟型锁定放大器、 5206双相模拟锁定 放大器、 SR830和 SR810数字锁定放大器；美国 AMETEK公司的 7265、 7280 DSP数字双相宽频 (O 5-2M)锁定放大器；法国 TE9822C型；日本 NFCORP公司研制的多功能数字锁定放大器 LI 5640和数字锁定放大器 LI5630等。美国 EG&G公司的SR830/810是数字锁定放大器中的佼佼者， SR810和 SR830分别为单相、双相 DSP数字锁定放大器，其可测频率带宽从 1mHz到 102kHz，

14、同时具有谐波抑制功能和100db的动态范围，时间常数从 10s到 30ks可调，自带同步参考信号发生器， 具有四个 16位的 ADC和 DAC以及 GPIB、 RS.232接口 5。 国内南京大学唐洪宾等作了一些研究工作，开发出了 FS.4、 NL.1、 FSS.1、FS.1型等，在此基础上南京大学微弱信号检测中心开发出了新一代 nd系列锁定放大器。中国科学院物理研究所微弱信号检测小组也作了一些研究工作。国内研究产品有：信息产业部电子第四十一研究所研制的 AV3891锁定放大器；而虚拟锁定放大器是广东省重点实验室建设项目资助的成果。与此同时，基于计算机的数字锁定算法也得到很大的发展，国内外许多

15、学者提出了不同的锁定算法。如 Mono提出的反向采样法、 Snaiie提出的正交采样法、 Gerrits提出的四等分累加法、以及国内的史燕等提出的六等分累加法、左营喜等提出的分段累加法等一些新的算法，它们都在弱信号检测方面得到一定的应用 6。 1.3 本文的主要工作 本文主要研究模拟锁定放大器的设计。其中详细论述了微弱噪声检测的常用手段，相关检测算法以及模拟锁定放大器的具体工作原理，并且提出锁定放大器各部分电路自己的设计思路，运用 multisim8.0软件仿真运行了设计好的锁定放- 3 - 大器，并对它进行了测试。 - 4 - 2 微弱信号检测与锁定放大器 现如今微弱 信号检测已经被广泛应用

16、在各种科研工程测控领域，它的主要优势在于检测所针对的检测对象，是用常规和传统方法不能检测到的微弱量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、微流量、微震动、微温差、微压差以及微电导、微电流、微电压等。微弱信号检测已逐渐成为了发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对推动相关领域发展具有着重要的意义。 正如引言所述，微弱信号检测的核心理念是用科学的方法分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特征及其差别，再采用一系列信号处理方法检测被噪声覆盖的微弱信号。在这些方法中，相关检测技术 是其中一种被使用得最广泛得方法也被认为是最为有效的方法。 2.1 微弱信号检测的方法 按传统的观念，如果有用

17、信号低于噪声，要检测出这种微弱信号是不可能的。通常认为各种噪声之和本质上决定了检测的精度，也就是决定了检测的灵敏度(对中等强度以上的信号 )或可检测信号的下限 (对微弱信号 )。因此要想降低测量下限，降低噪声是提高检测精度的关键，但这不是唯一的方法。 1942年，维纳 滤波理论的建立极大地推动了微弱信号检测理论的发展，彻底打破了噪声干扰和量级就是测量精度和极限这一传统观念。 1962年第一台锁定放大器的问世使 提取深陷在噪声中的有用信号成为现实。从那阻后，各种新的微弱信号检测的理论和方法不断涌现，各种性能优良的测量仪器不断推出，大大提高了微弱信号检测的精度。目前，微弱信号检测的方法很多，不同的

18、方法都有自己的特点和应用范围。下面将简要介绍几种常见的方法： 2.1.1 取样积分法 此法适用的前提条件是，微弱周期信号的周期已知，并且被检测的微弱信号的周期和信号源发出的周期性信号的周期存在一定的关系（相等或者某种函数关系）。 - 5 - 原理：准确地找到周期信号的某一点，并且在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积 分器中；经过 N次取样后，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分，所以信号在噪声中显现出来。如果对周期信号的没一点都这样处理，就完全有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。 这种取样积分法只适用于特定环境（满足上诉的前提条件），时间利用率低，并且只能恢复

19、周期性信号某一点的幅值，如果要恢复周期信号的波形，还必须在定点取样积分器的基础上，对周期信号一周期内的各点进行扫描，把周期信号每一点的幅值都恢复出来。 2.1.2 双路消噪法 此法的原理是利用两个通道，对输入信号进行不同的处理，使得两路信号相加时消去极性 相反的噪声，得到有用信号，从而达到提高信噪比的目的。 图 2-2 双路消噪法原理图 假使输入信号是伴随强噪声的频率为 fo的正弦波，输入上下两个信号通道。在上通道中，信号经过低噪声放大器放大后再经过窄带通滤波器，得到正弦波和窄带通的噪声，再通过正向检波积分器输出一个正极性直流电压，并叠加了随机起伏的成分。在下通道中，信号经过放大，再经过中心频

20、率为 fo的带阻滤波器，从而滤掉了正弦波信号保留了噪声。噪声再通过负向检波积分器后，与上通道的“信号 +正噪声”通过 加法器相加，抵消掉了噪声。 提高信噪比后的信号由加法器输出，进入比较器，在一定的时间 T内（ T通过实验测出。正弦波存在，则固定时间 T内本底计数的次数也是大致不变的），假如某个电压值大于阀值电平则计数器计数一次。因此，这种方法的初衷只是检测微弱的正弦波信号是否存在，并不能恢复波形。 低噪声放大器 带阻滤波器（ fo） 低噪声放大器 窄带通滤波器（ fo） 积分 积分 + 比较器 计数 正弦波加噪声 信号 +噪声 噪声 - 6 - 2.1.3 相关检测法以及其他 此外，还有很多

21、其它的微弱信号检测的方法，如 Bitmead et al提出的 Kalman滤波短时傅立叶分析估计信号的频率， Anderson et al应用改进的 Kalman滤波器(EKE)解决白噪声中正 弦信号的参数估计问题，但总的来说，上述的各种方法都有各自显著的缺点，而微弱信号检测技术中的相关检测技术是其中一种被使用得最广泛的方法，也被认为最为有效的方法 7。下面我们重点介绍一下应用于锁定放大器的相关检测的原理以及实现。 在研究各种信号和噪声的规律时，人们发现信号和信号的延时相乘后累加的结果可以区别于信号和噪声的延时相乘后累加的结果，从而诞生了“相关”的概念。相关检测技术是应用信号的相关性和噪声随

22、机性的特点，通过相关运算，去除噪声，检测出信号的一种技术。由于信号和噪声是相互独立的过程，根据相关函数的定 义，信号只与信号本身相关与噪声不相关，而噪声之间一般也是不相关的，那么就可以利用这种相关性原理，抑制噪声，提取信号。 微弱信号检测中可采用的相关检测方法可分为自相关和互相关两种，下面来作分别介绍。 1 自相关检测 用自相关法从噪声中恢复有用信号的模型如下图 3-1，图中，输入信号 x（ t）频率可以未知，将输入信号延时，并与原信号通过乘法器，再经过积分器输出。输入信号 x(t)由有用信号 s(t)和噪声 n(t)组成。随机信号 )(x 的自相关函数)()()( txtxER ， 因为数据计算量过大，所以在实际应用中采用它的时间平均值，即 dttxtxTtxtxR TTx 0 )()(1lim)()()( 。 图 2-3 自相关检测原理图 延时 乘法器 积分器 输入信号 )(tx )(xR )( tx