一种双相位锁相放大电路设计

摘要 为更好地提取被噪声淹没的微弱信号，在分析了锁相放大器原理的基础上，采用CD4046和AD630设计了一个双相位锁相放大器，并进行了实验验证，实验验证结果表明，该放大器可以测量1 mA以下的交流电流，灵敏度为20 mV／mA，精度0．05％，是一种高精度、实用型锁相放大电路。
关键词 锁相放大电路；CD4046；AD630

    随着科技的不断进步，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测越来越受到重视，常用的检测方法有同步累加和锁相放大法。文中主要论述一种实用的锁定放大器的设计方法。

1 锁相放大原理
1．1 锁相放大原理及双相位锁相放大器
    锁相放大器的工作原理结构如图1所示，包括想信号通道，参考通道，相敏检测器(PSI))和低通滤波器(LPF)。

    信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声。图中滤波电路选择带通滤波电路，经过带通滤波电路后的信号输入信号与参考输入信号进入PSD做一个乘法。PSD的功能是将输入信号与参考信号进行混频，输出和频信号和差频信号。LPF用于输出相乘后的差频信号，同时滤掉和频信号，从而得到放大后的微弱信号。参考可以是从外部输入的某种周期信号，也可以是系统内原先用于调制的载波信号或者用于斩波的信号。在外差式震荡技术中被称作本地振荡，用于做乘法运算实现的信号，在锁相放大器中被称作参考信号是从外部输入的。
    频率变换是通过乘法运算实现的，一般的乘法运算模拟电路，其线性度和稳定性均有问题，因此，在实际的锁相放大器中，频率变换是采用开关元件进行同步检波来实现。由开关元件所进行的同步检波电路，称作相敏检波器，相敏检波器是锁相放大器的核心。
    PSD的输出信号会因为输出信号和参考信号而产生较大变化，因此导致LPF的输出也会变化，即锁相放大器的测量值会发生变化。对于单相位锁相放大器，除了相位差为0之外，在其它相位差情况下，不能很好地测量被测型号的大小，所以此时应该将参考信号的相位移动90°，试用两个PSD，组成双相位锁相放大器，这样就能正确的测量振幅和相位，其原理如图2所示。

    被测信号经过放大滤波后分别与两个正交的参数信号相乘，再经过低通滤波后得到的是直流分量，直流分量经过放大后输出，被测信号的幅值与R的关系为
   
    通过式(1)可以测量被测信号的幅值。其中φ为被测信号与参考信号的相位差。正交参考信号的产生是通过集成锁相环实现。
1．2 锁相放大电路中的相关器原理
    锁相放大电路中最重要的部分是相关器(PSD)部分，它是锁相放大电路的核心，起着至关重要的作用。相关器是相关函数的物理模型，是一种完成被测信号和参考信号互相关函数运算的电子线路，相关器又叫相敏检波器。
    设输入信号
   
    上式表明，相敏检波器的输出包括两部分，前者为输入信号与参考信号的差频分量，后者为和频分量。当被测信号与参考信号同步时，即f1=f2时，差频分量为零，这时差频分量编程相敏直流电压分量，而和频分量为倍频。其物理意义表示信号经过相敏检波以后，信号频谱相对频率做了相对位移，即由原来以f1为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心的两个频谱，经过低通滤波滤除倍频分量，从而使输出变为
   
    因为f1=f2，设θ=θ1-θ2，则最后经过低通滤波后只有直流分量能通过，其它与时间t有关的项不能通过低通滤波，所以经过想敏检的输出信号经过低通滤波后只剩直流分量。

2 双相位锁相放大器的设计
    根据以上理论分析：采用集成锁相环CD4046来产生所需要的正交参考信号和AD630作为PSD电路来设计该电路。锁相环是一种反馈控制电路，其目的是消除频率误差。CD4046内部结构及引脚如图3所示，CD4046有两个相位比较器，比较器1采用异或门结构，当两个输入信号的电平状态相同时，比较器输出为低电平，比较器1输出的信号频率是信号输出频率的两倍，并且与两输入信号之间的中心频率保持90°相移，其所输出的波形不一定对称，其要求两输入信号之间的占空比为50％，此时锁定范围最大，相位比较器2是一个上升的数字存储网络，对输入信号的占空比要求不高，允许输入非对称波形，但其具有很宽的捕捉频率范围。基于此设计U1和U2采用相位比较器1输出，使输出的波形为占空比50％，从而得到最大的锁定范围，U3的输入信号相位相对于U1平移了90°，U2和U4使用相位比较器2，使信号具有很宽的频率捕捉范围。此部分的难点在于CD4046中振荡电路参数的确定。

    参数的确定参考文献可知：环路参数的计算主要是确定与VCO输出频率有关的电阻R1和R2，电容C1的值以及环路滤波参数的值，即R3和R4。由参考文献得振荡电路各参数如下
   
    其中，10 kΩ≤R1≤1 MΩ；10 kΩ≤R2≤1 MΩ；100 pF≤C1≤0．01μF。
    环路滤波参数的计算：利用参考文献的结论可知，鉴相器灵敏度，Vcc为供电电源。压控振荡器的灵敏度
   
    其中fr为输入信号频率，本设计选取η=1，fr=1 500 Hz，C1=0．01 μF，C2=10μF则可推出R1=R2=1 MΩ，R3=112 Ω，R4=212 Ω；总体电路如图4所示。

    由CD4046产生的正交正弦信号经过PSD模块，输出两个正弦分量和余弦分量的直流信号，此信号中还含有少量的低频信号，需要通过低通滤波滤掉此类信号。低通滤波电路如图5所示。

    该低通滤波电路的，由此可以算出通带截止频率f0=32Hz。

3 测试结果分析
    针对该设计的电路，输入被测电流，得到被测电压，从而得到两者的关系，测试多组电流，测试结果如表1所示。

    从测试结果可以看出：在不同的电流下，参考频率均为1 500 Hz，保证了参考频率的稳定性，同时该电路的灵敏度为20 mV／mA，精度为0．05％，表明该电路是一种高精度、实用的锁相放大电路。

4 结束语
    锁相放大电路在微弱信号检测中具有较大优势，和一般交流放大电路不同，其不是简单的放大，而是把与待测信号中与参考信号同步的那些信号检测出来，得到相应的直流信号，此设计的锁相放大电路主要用于检测周期性的电压和电流，对于非周期性的电压和电流，可以采用调制的方法将其调制成周期性信号再进行检测，此外还可用于一些气体浓度传感器中，具有一定的工业应用价值。