锁定放大器的设计与仿真实现【开题报告】.doc

1、毕业论文开题报告 电子信息工程 锁定放大器的设计与仿真实现 一、课题研究意义及现状 微弱信号在各类科研活动中都是大量存在的，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，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

2、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。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，可以说，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的意义。 自 1962 年美国 PARC(Princeton Applied Research Corporation)公司研制出第一台用于测量微弱正弦信号的锁定放大器 (Lock In Amplifier)以后，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

3、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。较成熟的产品有：美国 AMETEK 公司的 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。 二、课题研究的主要 内容和预期目标 主要内容： 该设计根据课题要求完成的功能大致分成三个模块：信号通道、参考通道和互相关器。 1、信号通道，由第一级放大器、预滤波器、第二级放大器等部分组成。其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑

4、制和滤掉部分干扰和噪声，扩大一起的动态范围的作用。 2、参考通道， 主要是由相移电路组成。互相关接收除了被测信号外，需要有另一个信号 (参考信号 )送到乘法器中，因此，参考通道是锁定放大器区别于一般仪器的不可缺少的一个组成部分。其作用是产生与被测信号同步的参考信号输给相关器。通常锁定放大器 的参考通道输出是和信号同步的正弦波。 3、互相关器，由 乘法器与低通滤波器（ LPF）组成，是锁定放大器的核心部件。互相关器采用互相关原理，以参考信号为基准，对有用信号进行相敏检测，实现频谱搬移后再经低通滤波器滤除噪声，达到既鉴幅又鉴相的目的。 预期目标： 设计好锁定放大器，实现当输入信号是正弦波伴随噪声，

5、参考信号各自取正弦波锁定放大器滤除掉噪声，获取有用信号的功能。 三、课题研究的方法及措施 课题设计的总框图如下图 1所示。 图 1 锁定放大器的原理总 框图 如图 1 所示，锁定放大器的组成分为三个模块：信号通道、参考通道和相关器。待测信号与参考信号分别经过信号通道和参考通道，再进入相关器，测得输出的直流电压即可算出原信号幅值。信号通道主要为了使待测信号进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相关器工作，并且滤除一部分的噪声；而参考通道则是为了获取相关检测所需的参考信号，根据相关检测原理，参考信号与原信号同频不同相；相关器是锁定放大器的核心部件，由乘法器和低通滤波器组成，对输入信号和参考信号进行

6、相关运算进而检测出原信号。 图 2 互相关检测的原理图 根据图 2 所示， s(t)是待测信号， f(t)是混入噪声 N(t)的信号， fr(t)是与 s(t)同频而不同相AC 滤 波 AC 乘法器 信号 输入 参考 输入 低通 DC 输出 移相器 移相器 信号通道 参考通道 相关器 的 干 净 信 号 。 假 设 s(t) 和 fr(t) 都 是 正 弦 波 ， 且 r0 ，则有：)()c o s ()()()( 10 tNtUtNtstf s ， )c o s ()c o s ()( 202 tUtUtf rrrr 。 那么乘法器输出 )(1tUo 为 )(*)()( 11 tftfKtU

7、 ro )c o s (*)()c o s ( 20101 tUtNtUK rs )c o s ()()2c o s (2)c o s (2 202101211 tUtNtUUKUUK rrsrs 随后的 低通滤波器，将所有 02 、 0 分量全部滤除，仅留下第一项直流分量，)c o s (2 21210 rsUUKKU 。其中 1K 是乘法器的传输系数， 2K 是低通滤波器的传输系数。 那么，相关器的输出电压 0U 和输入信号幅度 sU 以及二者的相位差 )( 21 的余弦成正比，令参考电压的幅度 rU =1，并调节相位，使相位差 )( 21 =0或者 180，那么srs UKKUUKKU

8、2)c o s (2 2121210 。 可见，相关器的输出电压将唯一的取决于被测信号 s(t)，而与噪声无关。由此可以从噪声中将原信号检测出来。 四、课题研究进度计划 第一阶段： 2010/2011 第一学期： 第 4-5 周：完成选题，并针对设计题目查找相关资料大致清楚设计的方向，内容和找好外文文献。 第 6-12 周：完 成外文翻译 ,文献综述和开题答辩。 第 13 周：开题答辩。 第二阶段： 第 14-20 周：程序设计基本完成，通过仿真测试，完成毕业论文初稿。 第三阶段： 2010/2011 第二学期： 第 1-7 周：设计作品的完善，毕业论文的修改，准备答辩。 第 8-12 周：毕

9、业设计答辩。 五、参考文献 1 微弱信号检测（ detection of weak signal） EB/OL， 2011-3-15. http:/ 2 周求湛，胡封晔，张 利平 .弱信号检测与估计 M.北京：航空航天大学出版社 ,2007， 4. 3 Fabrizio Barone,Enrico Calloni, Luciano DiFiorek, Aniello Grado, Leopoldo Milano, and Guido Russo. High-performance modular digital lock-in amplifier. American Institute of

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