基于AD630的双相锁相放大器设计

　　锁相放大器是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。锁相放大器可在比被测光信号强100dB的外来干扰中检测出目的信号。从锁相放大器问世以来，由于其在微弱信号检测方面的优越性能，在科学研究的各个领域得到广泛的应用。

　　锁相放大器有三个特点：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；利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。

　　一、锁相放大器的工作原理

　　锁相放大器采用外差式振荡技术，利用信号的相关原理对混有噪声的周期信号进行相关运算后，从噪声信号中检测出目标信号。其工作原理框图如图1所示。

　　

　　信号通道的作用是将伴有噪声的输入信号放大，并经选频放大对噪声进行初步处理；参考通道的作用是提供一个与输入信号相同的方波；相敏检波的作用是对输入信号和参考信号完成乘法运算，从而得到输入信号与参考信号的和频与差频信号；低通滤波的作用是滤除高频信号成分，这使得等效带宽变窄，从而实现提取噪声中的微弱信号。

　　假设待测信号是Asin（ωt+α），噪声为n（t），参考通道信号是Bsin（ωt+β），其中幅值B是确定的，两路信号在相敏检测环节中进行相乘运算，结果为：

　　

　　式（1）中第一项为直流成分，大小与两信号幅值及相位差的余弦成正比；第二项为待测信号的倍频信号。和待测信号同时进入乘法器的噪声也要和参考信号相乘，结果n（t）Bsin（ωt+β）几乎都是交流信号。低通滤波器的通带可以做得很窄，经过低通滤波器，待测信号的二倍频信号和噪声与参考信号相乘的结果都被滤掉，仅剩下直流信号，即0.5ABcos（α-β），只要两个信号的初相位α和β是已知的，则cos（α-β）是恒定的。由于参考信号的幅值B是确定的，那么很容易得到待测信号的幅值A。

　　在单通道中很难做到cos（α-β）的恒定，即参考信号和被测信号同相位。为了消除（α-β）值的不确定带来的影响，对参考信号做90°的移项作为第二路锁相的参考信号，这样双通道的锁相放大器就能实现动态地测量幅值和相位。

　　二、双相锁相放大器系统的硬件设计

　　2.1双相锁相放大器工作原理

　　如图2所示，双相锁相放大器是由两个完全相同的信号通道和相关器组成，其信号通道输出两路相同信号，参考通道输出两路相位相差90°的正弦波信号，分别在两个相关器（AD630）中检波。故其两个相关器输出分别为

　　

　　

　　2.2参考信号产生

　　参考信号可以是方波、三角波、正弦波等周期性信号，本设计中采用正弦波。正弦信号的产生采用ADI公司生产的AD9850，其电气连接如图3，它是采用先进的COMS技术的直接频率合成器，最高时钟频率可以达到125MHz。它结合一个片内高速、高性能DAC和比较器构成一个完全数字控制可编程频率合成器。设输出信号的频率为fOUT，参考频率为CLKIN，AD9850的频率控制字为△PHASE，则三者之间的关系为：△PHASE=（fOUT·2的32次方）/CLKIN。

　　

　　由双相锁相放大器的工作原理可知，参考通道输出的两路信号中需对其中一路进行90°相移，其相移与相位控制之间的对应关系参考表1，频率、相位控制字的各位分配表参考表2。

　　

　　2.3相关器设计

　　ADI公司的AD630由两个运算放大器A和B、切换开关S、输出积分放大器、比较器COMP（含三极管T）、片内电阻、片内补偿电容组成。由COMP驱动开关S置A或B，通道A和B之间隔离度超过100dB，分时工作，片内电阻均是高稳定度的SiCr薄膜电阻，片内补偿电容经外管脚连接，不需外接电容即可稳定工作在闭环增益上。最重要的是AD630的两路增益保持严格匹配的1∶1关系，是设计制作锁相放大器的最为理想的集成芯片。

　　本文的双相锁相放大器就是采用了两片AD630来设计其双通道的信号相关器，该系统的电气连接如图4，其中相移电路由与或门CD4030实现，单稳态触发由触发器MC14528实现，D触发器由CD4013组成，延迟时间通过调节R6的大小来选择。

　　

　　　2.4低通滤波

　　由OP07构成的低通滤波器是一个典型的一阶低通滤波器，其电路图如图5，该电路的传递函数为T=R7C4为该一阶低通滤波器的时间常数，由图4中电路可以算出：T=5ms，其截至频率为f0=32Hz，当f≫f0时，其衰减斜率为-20dB/dec。该低通滤波能很好的滤除相敏检波器中产生的高频信号成分，提高了信噪比。

　　

　　

　　三、双相锁相放大器系统的软件设计

　　该双相锁相放大器的控制单元采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812，2812具有150MHz的主频，最高可达12.5MSPS的AD转换速率，转换通道具有自动排序功能，这些特点保证了AD采样的实时性。本系统程序流程图如图6。

　　

        四、实验结果分析

        4.1　　参考信号正弦波的产生

　　设计参考信号的频率是5kHz，初始相位是0°，故在AD9850初始化程序中的控制字初始化为：0x00；0x00；0x03；0x46；0xdc。在没有加隔直流的电容前的波形都是在零上的，如图7，加了隔直流的电容后的波形图如图8。从波形图上看出正弦波的频率是5.006kHz，误差为0.6%。

　　主要的误差来源于计算控制字过程中，理论上要输出5kHz的波形控制字大小为214748.3648，在转化为十六进制后是0X346DC，而0X346DC转化为十进制是214748，在十进制转化为十六进制过程省略了小数部分。

　　在调试AD9850过程中遇到过一个问题，在硬件电路和软件的时序都按照资料中的推荐方式设计好后没有出现正弦波，而是一个幅值在100mV左右的直流信号。经研究发现AD9850的资料中并没有给出RESET管脚的控制时序，在程序中填加了对RESET管脚的控制后，正弦波波形出现了。

　　

　　

　　4.2锁定放大器

　　图9波形A是频率5kHz，幅值为1.2V的被测信号，波形B是频率为5kHz，相位与波形A一致，幅值为1.2V的参考信号，波形C是经双相锁相放大器的相敏检测单元之后的图形。

　　五、总结

　　本文概述了锁相放大器的基本原理和双相锁相放大器的设计过程。在双相锁相放大器的研制过程中，对其功能实现和精度提高上做了大量实验，并获得一定成效。该双相锁相放大器在利用激光吸收光谱技术进行摩托车尾气检测的系统中，能有效地检测出淹没在很强噪声中的携带有用信息的微弱信号。