锁定放大器的设计
摘要：本系统为一个用来检测微弱信号并且能够抗干扰的锁定放大器（LIA ）
装置, 采用MSP430G2553单片机作为系统的核心控制器件，用ADS1115集成A/D
转换芯片将放大后的微弱信号采集回来在通过程序缩小相同的倍数之后显示在液晶上。由信号衰减模块、交流放大模块、带通滤波模块、加法器模块、触发整形模块、移相模块、相敏检波模块、低通滤波模块、直流放大模块、5V 稳压模块、A/D数据采集模块、LCD 显示模块、单片机驱动模块组成。具有参考信号步进移相间距小、信号通道通频带窄、数据采集及输出精度高、抗干扰能力强等特点。
关键词：锁定放大 微弱信号检测 抗干扰 相敏检波 移相 MSP430
ADS1112 LCD12864
一、系统方案设计与比较
根据本设计的要求，要完成微弱正弦信号的检测并显示其有效值，且要求达到一定精度。为实现此功能，本设计提出的总体方案如图1所示。
信号通道
S (n (
图2 锁定放大器叠加噪声电路图
1、控制系统的方案论证
方案一：51单片机:51单片机可以直接对I/O口进行进行位操作，寄存器的配置操作简单，因此寄存器的数量功能也十分有限。而且不能捕捉跳变沿捕获，也不能输出PWM 。
方案二：430单片机: 速度快，功耗低，外设丰富，有捕获模块，移相效果好。由于此设计移相时需要用捕获信号来实现，故此设计更适合用430单片机。 ２、带通滤波器的方案论证
方案一：此方案由一个低通滤波器与一个高通滤波器级联而成，此电路可以实现带通滤波的功能，但通带不够平坦。
方案二：采用两个有源带通滤波器级联, 与方案一相比，不同的中心频率，但其通带更加平坦，效果更好故选用方案二。 3、相敏检波器的设计
方案一：开关式乘法器：即变频器，其中的MOS 管起一个开关的作用，但输入容较大，输出波形会出现毛刺。
方案二：同为开关式乘法器，其中结型场效应管起着开关作用，其输入电容电压较小，故输出波形毛刺较小，效果好，故选用方案二。
4、移相器的设计
方案一：桥式RC 模拟移相。采用该方案需要可变电容器，手动调节步进间距，步进间距很难控制。
方案二：数字移向器不需要复杂的硬件电路，只需要程序就能实现，而且还能连续步进移相，步进间距可以自定，便以控制。故采用此方案。
二、理论分析与计算
1、外接信号源的幅度分析与计算：外接信号源的幅度有效值设计为大约11mV-1V, 输入至参考信号R （t ）端，然后经过由100千欧和100欧自制的电阻分压网络降压接至被测信号S （t ）端，则可达到题目要求的S(t)幅度有效值为10uV-1mV 。 2、交流放大器的放大倍数分析与计算：流入S(t)的信号经两个反相比例放大器放大，一个放大33倍，两个就放大1089倍。
3、带通滤波器电路的分析与计算：信号经过两个带通滤波器后达到了带通滤波的目的，且限制频带范围为900Hz-1100Hz ，误差能够达到题目要求。
4、移相器电路的分析与计算：设步近角为x 度，计数y,x/360°=y/16000000/1ms=y/16000,则x=360y/16000,令y=222,则x 大约为5°，程序就以这样的计算方式来控制MSP430以此满足题目要求。
5、相敏检波器模块的分析与计算：被测信号S(t)、 参考信号r(t)和n(t)干扰信号及进入相敏滤波器，相敏滤波器把输入的信号的频谱进行迁移，迁移后形状不变。
三、电路设计
1、加法器和交流放大器模块电路
此部分由R(t)利用电阻分压作为被测信号输入到S(t)端, 利用加法器将干扰信号与被测信号进行叠加，并且采用了继电器来代替普通开关，使电路更智能化。如图三所示。
图3加法器与交流放大器 2、带通滤波器模块电路
带通滤波采用两级带通滤波，经实际测量通频带在910Hz~1105Hz。如图4所示。
图4 带通滤波器 3、触发整形模块电路
此电路由过零比较器来实现把正弦波整形为方波。
图6 MSP430控制显示及移相电路 5、相敏检波模块
图5过零比较器 4、MSP430移相模块电路和用12864显示模块
此电路以MSP430为控制中心原件来实现参考信号的移相功能，且通过程序控制ADS1115、MSP430及LCD12864来实现输出信号的显示。
用JFET-N 来充当一个开关的作用，从而实现相敏检波的功能，此后再加一个跟随器，减小输出电阻，减小负载对电路的影响。
图7相敏检波电路
6、低通滤波模块
采用两级有源低通滤波器，截止频率10Hz 左右。
图8 两级低通滤波器 7、直流放大模块
图9 直流放大电路 四、程序设计
1、重要模块程序的实现 （1）MSP430移相模块
此模块主要由程序来控制MSP430实现，输入方波后，MSP430进行捕捉。当捕捉到信号的上升沿时，定时改变相位，P1.0输出为1；当捕捉到信号的下降沿时，定时改变相位，P1.0输出为0。则实现了移相的功能。 （2）ADS1115采集与LCD12864显示模块
输出的模拟信号信号经过ADS1115转换为数字信号，再通过12864把得到的数字信号显示出来，此过程都由AD 转换程序和LCD12864显示程序进行控制。 2、主要程序流程图（移相与显示）
图10 移相与显示程序流程图
五、作品测试
1、测试仪器:DH1718D-2型双路跟踪稳压稳流电源、TFG1005 DDS函数信号发生器，DS5022型号的示波器、台式万用表。
2、测试方案：用信号发生器产生一路1kHz/2V-Vpp的正弦波送至参考信号R(t)端，再产
生另一路1050Hz~2100Hz幅度相同的正弦波作为干扰信号n(t),各级输入输出信号端都留有检测端子，加上输入信号之后只需用示波器观测各观测点的输出波形，然后分析每个观测点的输出波形及频率特性，改变n(t)的幅度继续分析。
3、测试结果：
(1) 移相电路测试
参考信号R (t ) 为1kHz 正弦波，峰峰值为1V ，本方案采用数字移相，步进角为5度，
实际测试采用双踪示波器进行，结果如表2所示。 表2
表3
本系统增益为1000倍，输出采用万用表测量其有效值，结果如表3所示。
表4
表
5
4、结果分析
电阻分压网络正常衰减输入信号，交流 直流放大器均正常放大。 带通滤波器的低频截止频率为910Hz ，高频截止频率为1105Hz ，通频带大致在900Hz~1100Hz的范围左右，误差5%。
移相器是通过单片机定时器实现，能实现连续等间距步进，步进幅度5°，小于10°。 相敏检波器能正常输出相应的信号，工作正常。
由于一级低通滤波的效果不太理想，所以我们采用的两级滤波，截止频率为10Hz 左右。 AD 数据转换器能正常采集数据并通过单片机处理现实在液晶上, 误差较小。
改变干扰信号的幅度，经过带通滤波器后基本被滤掉，输出信号基本不产生变化。
六、总结
本系统将数字电路和模拟电路有效的结合，实现了检测微弱信号的功能。此电路用加法器将干扰信号与被测信号叠加，参考信号通过电阻分压功能降压后与被测信号输入端相连，然后经过交流放大器（此部分采用了继电器，使设计更智能化）对输入的信号两级放大，然后通过带通滤波器滤波；参考信号经过过零比较器与由MSP430控制的移相电路得到r(t),接着将r(t)与带通滤波器输出的信号进行相频检测，得到的信号再依次经过带通跟随器、低通滤波器，直流放大器，输出的信号再进行AD 转换，再将信号由LCD12864显示出来。各项指标都已达到题目要求，且精度高、智能化。
参考文献
[1] 李智奇著. MSP430系列低功耗单片机原理与设计. 西安电子科技大学出版
社,2008.
[2] 谭浩强著. C语言程序设计(第三版). 清华大学出版社,2005.
[3] 胡大可著. MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用(第三版). 北京航
空航天出版社,2006.
[4] 彭琦著. 模拟电路分析基础. 湖北科学技术出版社，2000.
附件1：系统整体原理图
注：由于电路图比较长，所以分为三个模块，其中A 与相连，B 与B 相连，C 与
C 相连，D 与D 相连。
锁定放大器的设计
摘要：本系统为一个用来检测微弱信号并且能够抗干扰的锁定放大器（LIA ）
装置, 采用MSP430G2553单片机作为系统的核心控制器件，用ADS1115集成A/D
转换芯片将放大后的微弱信号采集回来在通过程序缩小相同的倍数之后显示在液晶上。由信号衰减模块、交流放大模块、带通滤波模块、加法器模块、触发整形模块、移相模块、相敏检波模块、低通滤波模块、直流放大模块、5V 稳压模块、A/D数据采集模块、LCD 显示模块、单片机驱动模块组成。具有参考信号步进移相间距小、信号通道通频带窄、数据采集及输出精度高、抗干扰能力强等特点。
关键词：锁定放大 微弱信号检测 抗干扰 相敏检波 移相 MSP430
ADS1112 LCD12864
一、系统方案设计与比较
根据本设计的要求，要完成微弱正弦信号的检测并显示其有效值，且要求达到一定精度。为实现此功能，本设计提出的总体方案如图1所示。
信号通道
S (n (
图2 锁定放大器叠加噪声电路图
1、控制系统的方案论证
方案一：51单片机:51单片机可以直接对I/O口进行进行位操作，寄存器的配置操作简单，因此寄存器的数量功能也十分有限。而且不能捕捉跳变沿捕获，也不能输出PWM 。
方案二：430单片机: 速度快，功耗低，外设丰富，有捕获模块，移相效果好。由于此设计移相时需要用捕获信号来实现，故此设计更适合用430单片机。 ２、带通滤波器的方案论证
方案一：此方案由一个低通滤波器与一个高通滤波器级联而成，此电路可以实现带通滤波的功能，但通带不够平坦。
方案二：采用两个有源带通滤波器级联, 与方案一相比，不同的中心频率，但其通带更加平坦，效果更好故选用方案二。 3、相敏检波器的设计
方案一：开关式乘法器：即变频器，其中的MOS 管起一个开关的作用，但输入容较大，输出波形会出现毛刺。
方案二：同为开关式乘法器，其中结型场效应管起着开关作用，其输入电容电压较小，故输出波形毛刺较小，效果好，故选用方案二。
4、移相器的设计
方案一：桥式RC 模拟移相。采用该方案需要可变电容器，手动调节步进间距，步进间距很难控制。
方案二：数字移向器不需要复杂的硬件电路，只需要程序就能实现，而且还能连续步进移相，步进间距可以自定，便以控制。故采用此方案。
二、理论分析与计算
1、外接信号源的幅度分析与计算：外接信号源的幅度有效值设计为大约11mV-1V, 输入至参考信号R （t ）端，然后经过由100千欧和100欧自制的电阻分压网络降压接至被测信号S （t ）端，则可达到题目要求的S(t)幅度有效值为10uV-1mV 。 2、交流放大器的放大倍数分析与计算：流入S(t)的信号经两个反相比例放大器放大，一个放大33倍，两个就放大1089倍。
3、带通滤波器电路的分析与计算：信号经过两个带通滤波器后达到了带通滤波的目的，且限制频带范围为900Hz-1100Hz ，误差能够达到题目要求。
4、移相器电路的分析与计算：设步近角为x 度，计数y,x/360°=y/16000000/1ms=y/16000,则x=360y/16000,令y=222,则x 大约为5°，程序就以这样的计算方式来控制MSP430以此满足题目要求。
5、相敏检波器模块的分析与计算：被测信号S(t)、 参考信号r(t)和n(t)干扰信号及进入相敏滤波器，相敏滤波器把输入的信号的频谱进行迁移，迁移后形状不变。
三、电路设计
1、加法器和交流放大器模块电路
此部分由R(t)利用电阻分压作为被测信号输入到S(t)端, 利用加法器将干扰信号与被测信号进行叠加，并且采用了继电器来代替普通开关，使电路更智能化。如图三所示。
图3加法器与交流放大器 2、带通滤波器模块电路
带通滤波采用两级带通滤波，经实际测量通频带在910Hz~1105Hz。如图4所示。
图4 带通滤波器 3、触发整形模块电路
此电路由过零比较器来实现把正弦波整形为方波。
图6 MSP430控制显示及移相电路 5、相敏检波模块
图5过零比较器 4、MSP430移相模块电路和用12864显示模块
此电路以MSP430为控制中心原件来实现参考信号的移相功能，且通过程序控制ADS1115、MSP430及LCD12864来实现输出信号的显示。
用JFET-N 来充当一个开关的作用，从而实现相敏检波的功能，此后再加一个跟随器，减小输出电阻，减小负载对电路的影响。
图7相敏检波电路
6、低通滤波模块
采用两级有源低通滤波器，截止频率10Hz 左右。
图8 两级低通滤波器 7、直流放大模块
图9 直流放大电路 四、程序设计
1、重要模块程序的实现 （1）MSP430移相模块
此模块主要由程序来控制MSP430实现，输入方波后，MSP430进行捕捉。当捕捉到信号的上升沿时，定时改变相位，P1.0输出为1；当捕捉到信号的下降沿时，定时改变相位，P1.0输出为0。则实现了移相的功能。 （2）ADS1115采集与LCD12864显示模块
输出的模拟信号信号经过ADS1115转换为数字信号，再通过12864把得到的数字信号显示出来，此过程都由AD 转换程序和LCD12864显示程序进行控制。 2、主要程序流程图（移相与显示）
图10 移相与显示程序流程图
五、作品测试
1、测试仪器:DH1718D-2型双路跟踪稳压稳流电源、TFG1005 DDS函数信号发生器，DS5022型号的示波器、台式万用表。
2、测试方案：用信号发生器产生一路1kHz/2V-Vpp的正弦波送至参考信号R(t)端，再产
生另一路1050Hz~2100Hz幅度相同的正弦波作为干扰信号n(t),各级输入输出信号端都留有检测端子，加上输入信号之后只需用示波器观测各观测点的输出波形，然后分析每个观测点的输出波形及频率特性，改变n(t)的幅度继续分析。
3、测试结果：
(1) 移相电路测试
参考信号R (t ) 为1kHz 正弦波，峰峰值为1V ，本方案采用数字移相，步进角为5度，
实际测试采用双踪示波器进行，结果如表2所示。 表2
表3
本系统增益为1000倍，输出采用万用表测量其有效值，结果如表3所示。
表4
表
5
4、结果分析
电阻分压网络正常衰减输入信号，交流 直流放大器均正常放大。 带通滤波器的低频截止频率为910Hz ，高频截止频率为1105Hz ，通频带大致在900Hz~1100Hz的范围左右，误差5%。
移相器是通过单片机定时器实现，能实现连续等间距步进，步进幅度5°，小于10°。 相敏检波器能正常输出相应的信号，工作正常。
由于一级低通滤波的效果不太理想，所以我们采用的两级滤波，截止频率为10Hz 左右。 AD 数据转换器能正常采集数据并通过单片机处理现实在液晶上, 误差较小。
改变干扰信号的幅度，经过带通滤波器后基本被滤掉，输出信号基本不产生变化。
六、总结
本系统将数字电路和模拟电路有效的结合，实现了检测微弱信号的功能。此电路用加法器将干扰信号与被测信号叠加，参考信号通过电阻分压功能降压后与被测信号输入端相连，然后经过交流放大器（此部分采用了继电器，使设计更智能化）对输入的信号两级放大，然后通过带通滤波器滤波；参考信号经过过零比较器与由MSP430控制的移相电路得到r(t),接着将r(t)与带通滤波器输出的信号进行相频检测，得到的信号再依次经过带通跟随器、低通滤波器，直流放大器，输出的信号再进行AD 转换，再将信号由LCD12864显示出来。各项指标都已达到题目要求，且精度高、智能化。
参考文献
[1] 李智奇著. MSP430系列低功耗单片机原理与设计. 西安电子科技大学出版
社,2008.
[2] 谭浩强著. C语言程序设计(第三版). 清华大学出版社,2005.
[3] 胡大可著. MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用(第三版). 北京航
空航天出版社,2006.
[4] 彭琦著. 模拟电路分析基础. 湖北科学技术出版社，2000.
附件1：系统整体原理图
注：由于电路图比较长，所以分为三个模块，其中A 与相连，B 与B 相连，C 与
C 相连，D 与D 相连。