基于锁定放大器的微弱信号检测系统设计
蒋碧波 杨振国 杨越
摘要：文章设计了一种基于锁定放大器的微弱信号检测系统，该系统以相敏检波器和单片机为核心，结合加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。测试表明，该系统可以有效地用于噪声淹没的微弱信号检测。
关键词：微弱信号；强噪声；相敏检波
0.概述
微弱信号检测技术综合利用电子、信息学、计算机技术和物理学方法，研究导致噪声的原因和规律，以及被测信号的相关性，将被噪声淹没的微弱有用信号检测出来。相较于生物芯片扫描法中扫描时间与检测灵敏度难以兼顾的缺点和微弱振动信号的谐波小波频域提取法的局限性来说，以锁定放大器为核心的微弱信号检测系统更有潜力。
用调制器将直流或渐变信号进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检测器检测频率和相位，利用窄带低通滤波器来抑制高频噪声，大大提高了稳定性，这些优点使得该项技术具有更加广阔的应用前景。
1.锁定放大器的原理
锁定放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成。其基本思想是将与被测信号相同频率和相位关系的参考信号作为基准信号，使得只有与被测信号本身以及与参考信号同频和同相的噪声分量有响应，其他频率的噪声被抑制，从而能提取出有用信号。若增加辅助前置放大器，锁相放大器增益可达220dB，能检测极微弱交流输入信号。锁定放大器輸出为直流电压信号，且正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。与一般的带通放大器不同，锁相放大器具有极强的抗噪声能力。
系统的核心相敏检波器（PSD）的本质功能是对两个信号之间的相位进行检波，只有当同频同相信号输入时，为全波整流且输出最大。
2.系统总体设计
本系统总体框图如图1所示，系统由接收信号预处理通道、参考信号预处理通道、相关器及输出电路组成，其中核心部件相关器，它包括开关乘法器和RC低通滤波器；其中加法器由同相放大电路构成，实现噪声与待测信号相加，使得信号淹没在噪声环境中，然后经过衰减器衰减约100倍，模拟接收方收到的信号，并送入以相敏检波器为核心的微弱信号检测电路。参考信号经过移相电路和比较器，输出方波驱动开关管乘法器。低通滤波器输出信号，经过直流信号放大后再通过单片机A/D转换，最后在显示系统显示。
3.参数选择及硬件实现
3.1前置放大电路
为了使微弱检测电路的输入阻抗大于或等于1MHz，放大倍数为96倍。INAl28外围电路简单，输入阻抗高，并且有效抑制共模干扰，因此采用两片INAl28运放级联实现。根据INAl28运放放大倍数公式，第一级为同相放大电路，选择RG=10KΩ，放大倍数为6倍；第二级选择RG=3.3KΩ，放大倍数为16倍。仿真结果图如图2所示。
3.2带通滤波器
利用低通、高通滤波器的串联，得到频率范围为900hz-1100hz的带通滤波器。电路原理图及参数如图3所示。
3.3相敏检波器
如图4所示，带通滤波器的输出同时经过同相和反相跟随器后，输入到开关乘法器CD4053；然后另一路将参考电源先经过移相网络，接着滤掉直流，然后经过用LM311构成的单限过零比较器，得到方波去驱动CD4053。
3.4低通滤波器
CD4053的输出最后经过由0PA4277构成的可调低通滤波器，该滤波器的R=IMHz，C=luF，算出截止频率为1Hz，能够达到滤波的效果，具体电路为图5。
3.5直流放大电路
由运放构成直流放大电路，且放大倍数B=l+R2/R1，设定放大10倍，选择RI=2KΩ，R2=18KΩ即可。
3.6触发整形部分
利用LM324运放设计过零比较器。设定同相端参考电压为OV，将输入的信号与参考电压进行比较，当输入信号电压大于参考电压时，输出低电平；反之，输出高电平。
3.7移相器
移相原理图如图7所示，其传递函数推导如下：实际中选取RI=R2=R3=2KO。
4.程序设计
本设计使用TI指定单片机模块Launchpad完成，该单片机主要是将最后的可调低通滤波器的输出进行A/D采样。为了提高测量精度，除了采用多次A/D取平均以外，还使用加权平均和曲线拟合；对于每次测量值乘以加权系数0.8加上前次采样值乘以权值0.2作为本次测量的结果，利用多次测量的结果按方程进行曲线拟合得到标定系数a和b。最终根据得到的标定系数结合加权平均的结果计算出最终的测量值，送到液晶显示，流程图为图8所示。
6.结束语
微弱信号检测的原理和技术成熟，但设备比较复杂和昂贵。基于锁定放大器的检测系统成本低，具有广阔的应用前景。本系统将淹没在强噪声中的微弱正弦信号作为锁定放大器的输入信号，锁定放大器的输出恢复出正弦信号作为信号调理电路的输入信号源，对采集的数据做FFY分析，结果SNR、SFRD都符合理论计算的要求。实验结果表明，该系统能有效检测预定带宽内微弱信号，具有一定的应用价值。
