鎖相放大器是利用互相關(guān)原理設(shè)計的一種同步相關(guān)檢測儀，利用參考信號與被測信號的互相關(guān)特性，提取出與參考信號同頻率和同相位的被測信號。鎖相放大器可在比被測光信號強(qiáng)100dB的外來干擾中檢測出目的信號。從鎖相放大器問世以來，由于其在微弱信號檢測方面的優(yōu)越性能，在科學(xué)研究的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

　　鎖相放大器有三個特點：用調(diào)制器將直流或漸變信號進(jìn)行交流放大，可以避免噪聲的不利影響；利用相敏檢測器實現(xiàn)對調(diào)制信號的解調(diào)，同時檢測頻率和相位，噪聲與信號同頻又同相的概率很?。焕玫屯?a href="http://www.socialnewsupdate.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器來抑制噪聲，低通濾波器的頻帶可以做的較窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也大大地提高。

　　一、鎖相放大器的工作原理

　　鎖相放大器采用外差式振蕩技術(shù)，利用信號的相關(guān)原理對混有噪聲的周期信號進(jìn)行相關(guān)運算后，從噪聲信號中檢測出目標(biāo)信號。其工作原理框圖如圖1所示。

　　信號通道的作用是將伴有噪聲的輸入信號放大，并經(jīng)選頻放大對噪聲進(jìn)行初步處理；參考通道的作用是提供一個與輸入信號相同的方波；相敏檢波的作用是對輸入信號和參考信號完成乘法運算，從而得到輸入信號與參考信號的和頻與差頻信號；低通濾波的作用是濾除高頻信號成分，這使得等效帶寬變窄，從而實現(xiàn)提取噪聲中的微弱信號。

　　假設(shè)待測信號是Asin（ωt+α），噪聲為n（t），參考通道信號是Bsin（ωt+β），其中幅值B是確定的，兩路信號在相敏檢測環(huán)節(jié)中進(jìn)行相乘運算，結(jié)果為：

　　式（1）中第一項為直流成分，大小與兩信號幅值及相位差的余弦成正比；第二項為待測信號的倍頻信號。和待測信號同時進(jìn)入乘法器的噪聲也要和參考信號相乘，結(jié)果n（t）Bsin（ωt+β）幾乎都是交流信號。低通濾波器的通帶可以做得很窄，經(jīng)過低通濾波器，待測信號的二倍頻信號和噪聲與參考信號相乘的結(jié)果都被濾掉，僅剩下直流信號，即0.5ABcos（α-β），只要兩個信號的初相位α和β是已知的，則cos（α-β）是恒定的。由于參考信號的幅值B是確定的，那么很容易得到待測信號的幅值A(chǔ)。

　　在單通道中很難做到cos（α-β）的恒定，即參考信號和被測信號同相位。為了消除（α-β）值的不確定帶來的影響，對參考信號做90°的移項作為第二路鎖相的參考信號，這樣雙通道的鎖相放大器就能實現(xiàn)動態(tài)地測量幅值和相位。

　　二、雙相鎖相放大器系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　2.1雙相鎖相放大器工作原理

　　如圖2所示，雙相鎖相放大器是由兩個完全相同的信號通道和相關(guān)器組成，其信號通道輸出兩路相同信號，參考通道輸出兩路相位相差90°的正弦波信號，分別在兩個相關(guān)器（AD630）中檢波。故其兩個相關(guān)器輸出分別為

　　2.2參考信號產(chǎn)生

　　參考信號可以是方波、三角波、正弦波等周期性信號，本設(shè)計中采用正弦波。正弦信號的產(chǎn)生采用ADI公司生產(chǎn)的AD9850，其電氣連接如圖3，它是采用先進(jìn)的COMS技術(shù)的直接頻率合成器，最高時鐘頻率可以達(dá)到125MHz。它結(jié)合一個片內(nèi)高速、高性能DAC和比較器構(gòu)成一個完全數(shù)字控制可編程頻率合成器。設(shè)輸出信號的頻率為fOUT，參考頻率為CLKIN，AD9850的頻率控制字為△PHASE，則三者之間的關(guān)系為：△PHASE=（fOUT·2的32次方）/CLKIN。

　　由雙相鎖相放大器的工作原理可知，參考通道輸出的兩路信號中需對其中一路進(jìn)行90°相移，其相移與相位控制之間的對應(yīng)關(guān)系參考表1，頻率、相位控制字的各位分配表參考表2。

　　2.3相關(guān)器設(shè)計

　　ADI公司的AD630由兩個運算放大器A和B、切換開關(guān)S、輸出積分放大器、比較器COMP（含三極管T）、片內(nèi)電阻、片內(nèi)補(bǔ)償電容組成。由COMP驅(qū)動開關(guān)S置A或B，通道A和B之間隔離度超過100dB，分時工作，片內(nèi)電阻均是高穩(wěn)定度的SiCr薄膜電阻，片內(nèi)補(bǔ)償電容經(jīng)外管腳連接，不需外接電容即可穩(wěn)定工作在閉環(huán)增益上。最重要的是AD630的兩路增益保持嚴(yán)格匹配的1∶1關(guān)系，是設(shè)計制作鎖相放大器的最為理想的集成芯片。

　　本文的雙相鎖相放大器就是采用了兩片AD630來設(shè)計其雙通道的信號相關(guān)器，該系統(tǒng)的電氣連接如圖4，其中相移電路由與或門CD4030實現(xiàn)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)由觸發(fā)器MC14528實現(xiàn)，D觸發(fā)器由CD4013組成，延遲時間通過調(diào)節(jié)R6的大小來選擇。

　　　2.4低通濾波

　　由OP07構(gòu)成的低通濾波器是一個典型的一階低通濾波器，其電路圖如圖5，該電路的傳遞函數(shù)為T=R7C4為該一階低通濾波器的時間常數(shù)，由圖4中電路可以算出：T=5ms，其截至頻率為f0=32Hz，當(dāng)f?f0時，其衰減斜率為-20dB/dec。該低通濾波能很好的濾除相敏檢波器中產(chǎn)生的高頻信號成分，提高了信噪比。

　　三、雙相鎖相放大器系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　該雙相鎖相放大器的控制單元采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812，2812具有150MHz的主頻，最高可達(dá)12.5MSPS的AD轉(zhuǎn)換速率，轉(zhuǎn)換通道具有自動排序功能，這些特點保證了AD采樣的實時性。本系統(tǒng)程序流程圖如圖6。

? ? ? ? 四、實驗結(jié)果分析

　　設(shè)計參考信號的頻率是5kHz，初始相位是0°，故在AD9850初始化程序中的控制字初始化為：0x00；0x00；0x03；0x46；0xdc。在沒有加隔直流的電容前的波形都是在零上的，如圖7，加了隔直流的電容后的波形圖如圖8。從波形圖上看出正弦波的頻率是5.006kHz，誤差為0.6%。

　　主要的誤差來源于計算控制字過程中，理論上要輸出5kHz的波形控制字大小為214748.3648，在轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制后是0X346DC，而0X346DC轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制是214748，在十進(jìn)制轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制過程省略了小數(shù)部分。

　　在調(diào)試AD9850過程中遇到過一個問題，在硬件電路和軟件的時序都按照資料中的推薦方式設(shè)計好后沒有出現(xiàn)正弦波，而是一個幅值在100mV左右的直流信號。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)AD9850的資料中并沒有給出RESET管腳的控制時序，在程序中填加了對RESET管腳的控制后，正弦波波形出現(xiàn)了。

　　4.2鎖定放大器

　　圖9波形A是頻率5kHz，幅值為1.2V的被測信號，波形B是頻率為5kHz，相位與波形A一致，幅值為1.2V的參考信號，波形C是經(jīng)雙相鎖相放大器的相敏檢測單元之后的圖形。

　　五、總結(jié)

　　本文概述了鎖相放大器的基本原理和雙相鎖相放大器的設(shè)計過程。在雙相鎖相放大器的研制過程中，對其功能實現(xiàn)和精度提高上做了大量實驗，并獲得一定成效。該雙相鎖相放大器在利用激光吸收光譜技術(shù)進(jìn)行摩托車尾氣檢測的系統(tǒng)中，能有效地檢測出淹沒在很強(qiáng)噪聲中的攜帶有用信息的微弱信號。