一種雙相位鎖相放大電路設計

摘要 為更好地提取被噪聲淹沒的微弱信號，在分析了鎖相放大器原理的基礎上，采用CD4046和AD630設計了一個雙相位鎖相放大器，并進行了實驗驗證，實驗驗證結果表明，該放大器可以測量1 mA以下的交流電流，靈敏度為20 mV／mA，精度0．05％，是一種高精度、實用型鎖相放大電路。
關鍵詞 鎖相放大電路；CD4046；AD630

隨著科技的不斷進步，被噪聲掩蓋的各種微弱信號的檢測越來越受到重視，常用的檢測方法有同步累加和鎖相放大法。文中主要論述一種實用的鎖定放大器的設計方法。

1 鎖相放大原理
1．1 鎖相放大原理及雙相位鎖相放大器
鎖相放大器的工作原理結構如圖1所示，包括想信號通道，參考通道，相敏檢測器(PSI))和低通濾波器(LPF)。

信號通道對調制正弦信號輸入進行交流放大，將微弱信號放大到足以推動相敏檢測工作的電平，并且要濾除部分干擾和噪聲。圖中濾波電路選擇帶通濾波電路，經過帶通濾波電路后的信號輸入信號與參考輸入信號進入PSD做一個乘法。PSD的功能是將輸入信號與參考信號進行混頻，輸出和頻信號和差頻信號。LPF用于輸出相乘后的差頻信號，同時濾掉和頻信號，從而得到放大后的微弱信號。參考可以是從外部輸入的某種周期信號，也可以是系統內原先用于調制的載波信號或者用于斬波的信號。在外差式震蕩技術中被稱作本地振蕩，用于做乘法運算實現的信號，在鎖相放大器中被稱作參考信號是從外部輸入的。
頻率變換是通過乘法運算實現的，一般的乘法運算模擬電路，其線性度和穩定性均有問題，因此，在實際的鎖相放大器中，頻率變換是采用開關元件進行同步檢波來實現。由開關元件所進行的同步檢波電路，稱作相敏檢波器，相敏檢波器是鎖相放大器的核心。
PSD的輸出信號會因為輸出信號和參考信號而產生較大變化，因此導致LPF的輸出也會變化，即鎖相放大器的測量值會發生變化。對于單相位鎖相放大器，除了相位差為0之外，在其它相位差情況下，不能很好地測量被測型號的大小，所以此時應該將參考信號的相位移動90°，試用兩個PSD，組成雙相位鎖相放大器，這樣就能正確的測量振幅和相位，其原理如圖2所示。

被測信號經過放大濾波后分別與兩個正交的參數信號相乘，再經過低通濾波后得到的是直流分量，直流分量經過放大后輸出，被測信號的幅值與R的關系為

通過式(1)可以測量被測信號的幅值。其中φ為被測信號與參考信號的相位差。正交參考信號的產生是通過集成鎖相環實現。
1．2 鎖相放大電路中的相關器原理
鎖相放大電路中最重要的部分是相關器(PSD)部分，它是鎖相放大電路的核心，起著至關重要的作用。相關器是相關函數的物理模型，是一種完成被測信號和參考信號互相關函數運算的電子線路，相關器又叫相敏檢波器。
設輸入信號

上式表明，相敏檢波器的輸出包括兩部分，前者為輸入信號與參考信號的差頻分量，后者為和頻分量。當被測信號與參考信號同步時，即f1=f2時，差頻分量為零，這時差頻分量編程相敏直流電壓分量，而和頻分量為倍頻。其物理意義表示信號經過相敏檢波以后，信號頻譜相對頻率做了相對位移，即由原來以f1為中心的頻譜遷移至以直流和倍頻為中心的兩個頻譜，經過低通濾波濾除倍頻分量，從而使輸出變為

因為f1=f2，設θ=θ1-θ2，則最后經過低通濾波后只有直流分量能通過，其它與時間t有關的項不能通過低通濾波，所以經過想敏檢的輸出信號經過低通濾波后只剩直流分量。

2 雙相位鎖相放大器的設計
根據以上理論分析：采用集成鎖相環CD4046來產生所需要的正交參考信號和AD630作為PSD電路來設計該電路。鎖相環是一種反饋控制電路，其目的是消除頻率誤差。CD4046內部結構及引腳如圖3所示，CD4046有兩個相位比較器，比較器1采用異或門結構，當兩個輸入信號的電平狀態相同時，比較器輸出為低電平，比較器1輸出的信號頻率是信號輸出頻率的兩倍，并且與兩輸入信號之間的中心頻率保持90°相移，其所輸出的波形不一定對稱，其要求兩輸入信號之間的占空比為50％，此時鎖定范圍最大，相位比較器2是一個上升的數字存儲網絡，對輸入信號的占空比要求不高，允許輸入非對稱波形，但其具有很寬的捕捉頻率范圍。基于此設計U1和U2采用相位比較器1輸出，使輸出的波形為占空比50％，從而得到最大的鎖定范圍，U3的輸入信號相位相對于U1平移了90°，U2和U4使用相位比較器2，使信號具有很寬的頻率捕捉范圍。此部分的難點在于CD4046中振蕩電路參數的確定。

參數的確定參考文獻可知：環路參數的計算主要是確定與VCO輸出頻率有關的電阻R1和R2，電容C1的值以及環路濾波參數的值，即R3和R4。由參考文獻得振蕩電路各參數如下

其中，10 kΩ≤R1≤1 MΩ；10 kΩ≤R2≤1 MΩ；100 pF≤C1≤0．01μF。
環路濾波參數的計算：利用參考文獻的結論可知，鑒相器靈敏度，Vcc為供電電源。壓控振蕩器的靈敏度

其中fr為輸入信號頻率，本設計選取η=1，fr=1 500 Hz，C1=0．01 μF，C2=10μF則可推出R1=R2=1 MΩ，R3=112 Ω，R4=212 Ω；總體電路如圖4所示。

由CD4046產生的正交正弦信號經過PSD模塊，輸出兩個正弦分量和余弦分量的直流信號，此信號中還含有少量的低頻信號，需要通過低通濾波濾掉此類信號。低通濾波電路如圖5所示。

該低通濾波電路的，由此可以算出通帶截止頻率f0=32Hz。

3 測試結果分析
針對該設計的電路，輸入被測電流，得到被測電壓，從而得到兩者的關系，測試多組電流，測試結果如表1所示。

從測試結果可以看出：在不同的電流下，參考頻率均為1 500 Hz，保證了參考頻率的穩定性，同時該電路的靈敏度為20 mV／mA，精度為0．05％，表明該電路是一種高精度、實用的鎖相放大電路。

4 結束語
鎖相放大電路在微弱信號檢測中具有較大優勢，和一般交流放大電路不同，其不是簡單的放大，而是把與待測信號中與參考信號同步的那些信號檢測出來，得到相應的直流信號，此設計的鎖相放大電路主要用于檢測周期性的電壓和電流，對于非周期性的電壓和電流，可以采用調制的方法將其調制成周期性信號再進行檢測，此外還可用于一些氣體濃度傳感器中，具有一定的工業應用價值。