学号 3140507019
课 程 设 计 报 告
中文题目：锁相放大器
课 程 名 称：电子技术课程设计
班 级 名 称：农业电气化1401班
作 者 姓 名： 黄 杰
指 导 教 师： 李 彦 旭
提 交 日 期： 2016.6.24
摘 要
为了检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，本系统基于
锁定放大器设计了的微弱信号的检测装置。本系统由纯电阻衰减网络、前级放大
模块、同向加法器、相敏检波器、整形移相驱动电路、带通滤波器等多级滤波电
路组成。通过同向加法器和纯电阻衰减网络将信号和噪声进行叠加产生微小信
号，之后采用检测电路完成微小信号的检测。本系统是以相敏检波器为核心，将
参考信号经过移相器后，通过电压比较器产生方波以驱动乘法器AD630，最后通
过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号。经过最终的测试，本系统能较好地
完成检测微小信号的功能。 关键词：微弱信号 强噪声 移相器 锁定放大 相敏检波
目 录
第一部分 设计题目
1.1 设计目的与要求……………………………………………………4 第二部分 设计方案
2.1 总体设计方案说明…………………………………………………5 第三部分 电路设计
3.1 功能模块设计………………………………………………………6
3.2 电路仿真与结果……………………………………………………8 第四部分 设计小结
4.1 设计中遇到的问题……………………………………………………10
4.2 进一步改进的方向……………………………………………………10 课程设计总结（心得体会）………………………………………………10
第一部分 设计题目
1.1 设计目的与要求
（1）外接信号源提供频率为1kHz的正弦波信号，幅度自定，输入至参考信号R(t)端。R(t)通过自制电阻分压网络降压接至被测信号S(t)端，S(t)幅度有效值为 10μV~1mV。
（2）参考通道的输出r(t)为方波信号，r(t)的相位相对参考信号R(t)可连续或步进移相180度，步进间距小于10度。
（3）信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。误差小于20%。
（4）在锁定放大器信号S(t)输入端增加一个运放构成的加法器电路，实现S(t)与干扰信号n(t)的1:1叠加，。
（6）用另一信号源产生一个频率为1050~2100Hz的正弦波信号，作为n(t)叠加在锁定放大器的输入端，信号幅度等于S(t)。n(t)可由与获得S(t)同样结构的电阻分压网络得到。锁相放大器应尽量降低n(t)对S(t)信号有效值测量的影响，测量误差小于10%。
第二部分 设计方案
2.1 总体设计方案说明
整个系统分为微弱信号发生器（图2_1）和锁相放大器（图2_2）两部分。
图2_1
如图2_1，微弱信号发生器部分由加法器与衰减网络构成。通常，微伏级的小信号都是埋没于各种噪声之中，在本系统中将被测信号与一个和其频率相近的信号按幅值1:1叠加，模拟被测信号埋没在噪声中的情况。由于函数信号发生器不能提供微伏级信号，本系统采用衰减网络将信号发生器输入的信号衰减至微伏
级。
图2_2
如图2_2，锁相放大器部分由前级交流放大模块、带通滤波器、相敏检波器、移相驱动电路、低通滤波器五个部分组成。信号发生器输入的被测信号通过交流放大器放大到合理的幅值，再通过带通滤波器滤掉噪声。再将函数信号发生器产生的被测信号通过移相器和比较器得到参考信号。将参考信号与被测信号通过相敏检波器得到乘积并通过低通滤波器就可得到与被测信号幅值呈比例关系的直流信号。
第三部分 电路设计
3.1 功能模块设计
(1)加法器
在本系统中，采用了由LM358构成的同相加法器实现被测信号与噪声的叠加。
图3_1
(2)衰减器
衰减器网络是利用电阻网络分压实现。
图3_2
（3）交流放大器 交流放大器由两片OPA227构成两级同相比例放大电路，第一级为放大6倍，第二极放大16倍。微弱信号通过交流放大器可放大为适于检测的信号。INA128外围电路简单，输入阻抗高，并且有效抑制共模干扰。
图3_3
（4）带通滤波器
如图3-4，带通滤波器由两片LM358构成，中心频率1kHz,-3dB带宽为300Hz。
图3_4
(5)移相器
由于一级运放做180度连续相移很难实现，该系统中移相电路由两片OP07构成，通过调节滑动变阻器，可实现输入信号相位0~360
度连续可调。
图3_5
(6)比较器
由一片OP07构成的过零比较器电路，可将输入的正弦信号转换成方波信号作为参考信号通过分压可获得峰峰值为1V
的参考信号。
图3_6
(7)相敏检波器
如图3_7,相敏检波器采用开关乘法器AD630芯片实现相敏检波。
100 %
图3_7
(8)低通滤波器
由于无源低通滤波电路会使直流量产生衰减，本系统中采用有源二阶压控增益低通滤波器滤除交流分量，得到直流分量。
C1
图3_8
3.2 电路仿真与结果
（1）输入信号衰减结果
图3_9
（2）参考信号测试结果
图3_10
(3) AD630与低通滤波器输出结果
当被测信号为正弦波，参考信号为方波时，推导得开关乘法器输出结果为
由此计算出理论结果为19.9mV，实测输出结果为20.1mV，误差为1%。
图3_11
(4) 带通滤波器波特相应图与输出结果
图3_12 图3_13
第四部分 设计小结
4.1 设计中遇到的问题
由仿真结果可知，本系统能较好地达到要求，但当信号很小时，输出电压有所偏差，可能是由于各级加法，放大器的线性误差及零飘，仪器的系统误差，MSP430 AD采样的非线性误差等导致的。
4.2 进一步改进的方向
对于零飘问题，可采用一直零飘效果较好的OPA227等芯片替换OP07，LM358等芯片。
课程设计总结 （心得体会）
本系统能够很好地实现题目的指标，系统电路中相敏检波器能够工作在信号频率缓慢变化时有效检测出有用信号，并且相移电路能够很好地进行相位检测盒调节，各级放大器，滤波器测量结果均能达到预定结果。但由于时间仓促，本系统依旧存在许多不足和可改进的地方，不过通过这一周的学习，我付出了很多，也收获了不少，对很多理论知识有了更深的了解，实践的能力也有了很大的进步，能更好的将理论与实践相结合并很好的运用在我们的学习中。
学号 3140507019
课 程 设 计 报 告
中文题目：锁相放大器
课 程 名 称：电子技术课程设计
班 级 名 称：农业电气化1401班
作 者 姓 名： 黄 杰
指 导 教 师： 李 彦 旭
提 交 日 期： 2016.6.24
摘 要
为了检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，本系统基于
锁定放大器设计了的微弱信号的检测装置。本系统由纯电阻衰减网络、前级放大
模块、同向加法器、相敏检波器、整形移相驱动电路、带通滤波器等多级滤波电
路组成。通过同向加法器和纯电阻衰减网络将信号和噪声进行叠加产生微小信
号，之后采用检测电路完成微小信号的检测。本系统是以相敏检波器为核心，将
参考信号经过移相器后，通过电压比较器产生方波以驱动乘法器AD630，最后通
过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号。经过最终的测试，本系统能较好地
完成检测微小信号的功能。 关键词：微弱信号 强噪声 移相器 锁定放大 相敏检波
目 录
第一部分 设计题目
1.1 设计目的与要求……………………………………………………4 第二部分 设计方案
2.1 总体设计方案说明…………………………………………………5 第三部分 电路设计
3.1 功能模块设计………………………………………………………6
3.2 电路仿真与结果……………………………………………………8 第四部分 设计小结
4.1 设计中遇到的问题……………………………………………………10
4.2 进一步改进的方向……………………………………………………10 课程设计总结（心得体会）………………………………………………10
第一部分 设计题目
1.1 设计目的与要求
（1）外接信号源提供频率为1kHz的正弦波信号，幅度自定，输入至参考信号R(t)端。R(t)通过自制电阻分压网络降压接至被测信号S(t)端，S(t)幅度有效值为 10μV~1mV。
（2）参考通道的输出r(t)为方波信号，r(t)的相位相对参考信号R(t)可连续或步进移相180度，步进间距小于10度。
（3）信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。误差小于20%。
（4）在锁定放大器信号S(t)输入端增加一个运放构成的加法器电路，实现S(t)与干扰信号n(t)的1:1叠加，。
（6）用另一信号源产生一个频率为1050~2100Hz的正弦波信号，作为n(t)叠加在锁定放大器的输入端，信号幅度等于S(t)。n(t)可由与获得S(t)同样结构的电阻分压网络得到。锁相放大器应尽量降低n(t)对S(t)信号有效值测量的影响，测量误差小于10%。
第二部分 设计方案
2.1 总体设计方案说明
整个系统分为微弱信号发生器（图2_1）和锁相放大器（图2_2）两部分。
图2_1
如图2_1，微弱信号发生器部分由加法器与衰减网络构成。通常，微伏级的小信号都是埋没于各种噪声之中，在本系统中将被测信号与一个和其频率相近的信号按幅值1:1叠加，模拟被测信号埋没在噪声中的情况。由于函数信号发生器不能提供微伏级信号，本系统采用衰减网络将信号发生器输入的信号衰减至微伏
级。
图2_2
如图2_2，锁相放大器部分由前级交流放大模块、带通滤波器、相敏检波器、移相驱动电路、低通滤波器五个部分组成。信号发生器输入的被测信号通过交流放大器放大到合理的幅值，再通过带通滤波器滤掉噪声。再将函数信号发生器产生的被测信号通过移相器和比较器得到参考信号。将参考信号与被测信号通过相敏检波器得到乘积并通过低通滤波器就可得到与被测信号幅值呈比例关系的直流信号。
第三部分 电路设计
3.1 功能模块设计
(1)加法器
在本系统中，采用了由LM358构成的同相加法器实现被测信号与噪声的叠加。
图3_1
(2)衰减器
衰减器网络是利用电阻网络分压实现。
图3_2
（3）交流放大器 交流放大器由两片OPA227构成两级同相比例放大电路，第一级为放大6倍，第二极放大16倍。微弱信号通过交流放大器可放大为适于检测的信号。INA128外围电路简单，输入阻抗高，并且有效抑制共模干扰。
图3_3
（4）带通滤波器
如图3-4，带通滤波器由两片LM358构成，中心频率1kHz,-3dB带宽为300Hz。
图3_4
(5)移相器
由于一级运放做180度连续相移很难实现，该系统中移相电路由两片OP07构成，通过调节滑动变阻器，可实现输入信号相位0~360
度连续可调。
图3_5
(6)比较器
由一片OP07构成的过零比较器电路，可将输入的正弦信号转换成方波信号作为参考信号通过分压可获得峰峰值为1V
的参考信号。
图3_6
(7)相敏检波器
如图3_7,相敏检波器采用开关乘法器AD630芯片实现相敏检波。
100 %
图3_7
(8)低通滤波器
由于无源低通滤波电路会使直流量产生衰减，本系统中采用有源二阶压控增益低通滤波器滤除交流分量，得到直流分量。
C1
图3_8
3.2 电路仿真与结果
（1）输入信号衰减结果
图3_9
（2）参考信号测试结果
图3_10
(3) AD630与低通滤波器输出结果
当被测信号为正弦波，参考信号为方波时，推导得开关乘法器输出结果为
由此计算出理论结果为19.9mV，实测输出结果为20.1mV，误差为1%。
图3_11
(4) 带通滤波器波特相应图与输出结果
图3_12 图3_13
第四部分 设计小结
4.1 设计中遇到的问题
由仿真结果可知，本系统能较好地达到要求，但当信号很小时，输出电压有所偏差，可能是由于各级加法，放大器的线性误差及零飘，仪器的系统误差，MSP430 AD采样的非线性误差等导致的。
4.2 进一步改进的方向
对于零飘问题，可采用一直零飘效果较好的OPA227等芯片替换OP07，LM358等芯片。
课程设计总结 （心得体会）
本系统能够很好地实现题目的指标，系统电路中相敏检波器能够工作在信号频率缓慢变化时有效检测出有用信号，并且相移电路能够很好地进行相位检测盒调节，各级放大器，滤波器测量结果均能达到预定结果。但由于时间仓促，本系统依旧存在许多不足和可改进的地方，不过通过这一周的学习，我付出了很多，也收获了不少，对很多理论知识有了更深的了解，实践的能力也有了很大的进步，能更好的将理论与实践相结合并很好的运用在我们的学习中。