一种新型多通道锁相放大器的设计.doc

一种新型多通道锁相放大器的设计 概述 随着科学技术的发展,微弱信号的检测越来越重要, 现已逐渐形成一专门的边缘学科。锁相放大器(Lock-in Amplifier, 简写为LIA)就是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器。它可用于测量微弱交流信号的幅度和位相, 有较强的抑制干扰和噪声的能力, 有极高的灵敏度，在光谱学和环境学的微弱信号探测与采集中有着广泛的应用前景。比如，在光谱测量中往往需要测量很多通道的信号，在信号测量中采用锁相放大器能够大幅度地提高系统的抗干扰性能，但也存在明显的不足：电路变得极其复杂、各通道的一致性难以保证、工艺性差。本文介绍了一种多通道锁相放大器的设计方法，具有简单、实用、可靠性高等特点，可满足众多测量需求特别是需要多通道测量的场合。 锁相放大器检测原理 锁相放大器是以相干检测技术为基础，利用参考信号频率与输入输入信号频率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声中提取出有用信号，使得测量精度大大提高，而它的核心部件为相敏检测器（phase sensitive detector，简称PSD，又称相关器），图1所示为锁相放大器的原理框图。 图1 锁相放大器原理图 相敏检测器是由乘法器和积分器组成，其中乘法器一般采用开关乘法器，积分器通常由低通滤波器组成，图2给出相敏检测器的构成原理图。 图2 相敏检测器原理图 设待测信号，其中为待测信号中的有效信号，n为噪声。 参考信号，则经乘法器的输出信号为，积分器的输出信号为： = 上式中、分别是待测有效信号与参考信号及参考信号与噪声之间的相关函数，对于项，由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为参考信号与噪声互相独立，它的相关函数为零：即经过长时间的积分，项为零，实际上积分时间不可能无限长，也就是说实际计算中不可能为零，它表现为剩余噪声，但噪声对测量结果的影响已经大大降低，对于项为： = 由上式可知，积分内的两项是待测有效信号与参考信号的和频及差频相关，当时，且噪声相关函数为零时，积分器输出的信号可表示为： 式中K为低通滤波器的传递系数，为待测信号与参考信号的相位差，当待测信号与参考信号同频率时，相敏检测器输出的信号与待测有效信号的幅度有关，也与待测信号与参考信号的相位差有关，调整参考信号的相位，当=时，相敏检测器的输出信号与待测信号的幅度成正比。总之，由于输入信号中的噪声与参考信号不相关，经积分器积分后，噪声得到了很好的抑制，而有效信号得到了放大，从而提高了测量的精度和信噪比。 多通道锁相放大器的设计 带通滤波器设计 当检测要求需要多通道测量时，如何保持各通道间放大倍数、频率响应以及相位等参数的一致性成为主要的问题。 由于使用锁相放大处理的信号经常伴有强烈噪声的微弱信号，所以在待测信号通过相敏检测器之前，首先必须通过由交流放大器和带通滤波器组成的滤波网络，以达到滤除噪声信号和放大有效信号的目的。在单通道锁相放大中，可以采用由运算放大器搭建而成的交流放大器和带通放大器，如图3所示。 图3 二阶带通滤波器原理图 图3所示电路由运算放大器组成的二阶带通滤波器原理图，该滤波器的参数如频带增益，中心频率以及品质因数Q值是由图中的电阻R1、R2、R5以及C2、C3决定。当系统需要多通道测量时，如果采用这种滤波器，那么在实际工作中需要对电阻的阻值和电容的容值进行严格筛选以达到多路通道间相互匹配的效果。 鉴于以上情况，在多通道锁相放大器的设计中，可采用集成滤波器如MAXIM公司出品的MAX263/4以及MAX267/8，其中MAX263/4是基于CMOS工艺的引脚可编程通用开关电容有源滤波器，MAX267/8是专门用于带通滤波的滤波器。它们最大的优点就是由它们组成的滤波器的中心频率和品质因数Q值参数是由可编程的引脚控制。现以MAX268为例说明其使用方法。MAX268是专门用于带通滤波的芯片，每个MAX268由两个独立的二阶滤波单元组成，它的中心频率是由一个输入时钟和F0-F4这五个引脚决定，而Q值是由Q0-Q6等七个引脚控制，图4所示是由MAX268的两个二阶滤波单元串联组成的一个四阶切比雪夫带通滤波器电路的示意图。 图4 四阶多路负反馈切比雪夫带通滤波器 由图4中可看出，MAX268内部自带了一个运算放大器，可以和MAX268集成的带通滤波单元组成一个多路负反馈的滤波器，并且可以对较微弱的信号进行放大，这一点在微弱信号的检测中是很重要的。 相敏检测器与低通滤波电路设计 在锁相放大电路中，参考信号可以是防波信号，也可以是正弦信号。当系统的参考信号是方波信号的话，乘法器的设计可以采用MAX4053或MAX4066等模拟开关组成，由于模拟开关在导通是的增益为1，所以对多路匹配不会产生什么负面影响。如果参考信号为正弦信号的话，可以采用MTL04等模拟乘法器组成乘法器