基于锁相放大原理的微弱信号检测电路

摘要：针对目前成品锁相放大器价格昂贵且体积大，传统窄带滤波法性能和灵活性差的特点，设计了基于锁相放大器原理的微弱信号检测电路。本电路采用单片机作为激励信号和参考信号的发生器，利用带关断引脚的运放实现相敏检波器，整个电路仅使用了5个运算放大器和一些阻容元件。实验表明，本电路能实现了从信噪比为0．1的被测信号中提取有用信号幅值的功能，测量误差控制在5％以内。由于本电路有实现简单和成本低的特点，稍加修改后可作为模块电路用到其他测量系统当中。
关键词：微弱信号检测；锁相放大器；相关检测；正交矢量

    在科学研究和工程实践中，对于微弱信号的检测有如下2种常见的方法：
    1)窄带滤波。即将带噪声的微弱信号滤波，根据需要的输出信噪比选择合适的通频带带宽。这种方法由于实现起来简单且成本比较低，因此得到了广泛的应用。但是为了得到高的信噪，要求滤波器的通频带很窄，这可能存在中心频率不稳定等问题，很难实现，而且这种方法只能测量单个频点的信号，灵活性较差。
    2)相关检测。相关检测技术主要利用有用信号的相关性，以锁相放大器为例，将待测信号和参考信号相乘，由于参考信号和待测信号有相关性相关性，但和噪声却没有相关性，因而对相乘后的信号进行滤波后会得到一个直流分量，该信号中包含了待测信号的幅值和相位信息。
    由于与窄带滤波的方法相比，锁相放大方法可以实现大得多的信噪比，因而在需要高度精密测量的领域得到了广泛的应用。然而由于锁相放大器是一种十分昂贵的仪器，在一般的工程测量领域应用的并不多，目前窄带滤波的方法依然是一般工程测量领域的主流方法。为了测量某被测网络的特性，本文利用锁相放大器的原理，设计了一种微弱信号检测电路用以代替传统的窄带滤波方法，这种电路具有性能好、成本低的特点，并且可以直接作为模块电路集成到实际系统当中。

1 总体设计
1．1 系统需求
    如图1所示，将一个激励信号输入到被测网络中，通过测量从被测网络输出的信号，我们可以得到被测网络的一系列特征信息。激励信号的频率范围为500 Hz到2 kHz。由于被测网络的作用，输出的被测信号中有用信号被噪声所淹没，其中噪声的峰峰值最大为1 V，其的功率谱在100 Hz到1 MHz内近似平坦分布；而有用信号的峰峰值在100 mV到200 mV之间。为了准确的获取被测网络的特性，要求微弱信号检测电路从噪声中测量出有用信号的峰峰值，对有用信号的测量精度要求在5％以内。

1．2 系统组成
    系统的总体结构图如图2所示，本系统基于正交矢量锁相放大器的原理实现，其中包含了两路相敏检波器和两路低通滤波器。单片机产生两路相互正交的参考信号，由于被测信号是由单片机产生的激励信号通过被测网络后得到的信号，因此可以做到被测信号与参考信号同频。系统中其余各部分的功能如下：

    1)信号通道。信号通道主要是对被测信号进行预滤波和交流放大等处理。预滤波提高了信号的信噪比，减小了对相敏检波器的动态容限的要求，交流放大使得信号在进入相敏检波器时有合适的幅值。
    2)相敏检波器。相敏检波器对被测信号和参考信号进行乘法运算，并得到它们和频与差频信号。由于被测信号和参考信号通频，和频信号为直流信号。差频信号通过后面的低通滤波器滤除。
    3)低通滤波器。低通滤波器滤除和频信号以及噪声信号，提到输出直流信号的信噪比。
    4)单片机。单片机产生参考信号以及激励信号，并通过AD转换器采样低通滤波器输出的两路信号，计算后得到被测信号的幅值和相位，最终通过LCD显示测量结果。

2 理论分析
2．1 相关检测原理

    经过低通滤波器以后，只要设置低通滤波器的截止频率fout，满足fout≤f，并且其带宽足够窄，就可以滤出所有频率高于截止频率的信号，这时同相输出I，正交输出Q。
   
    根据这两路输出，进行运算单元的处理，就可以得到待测有用信号的幅值A和相位φ。
   
2．2 信噪比分析
    由上文的分析可知，为了获取有用信号，需要在相敏检波器后面进行低通滤波，以滤去和频信号和噪声，因此滤波器的带宽决定了最终信号的信噪比。由于被测信号中噪声的功率谱特性是近似平坦的，而噪声的能量与带宽成正比，在知道了原信噪比和目标信噪比以后，就可以求出低通滤波器的带宽。原信噪比就是被测信号在未进过任何处理时的信噪比，记为SNR1，目标信噪比就是进入AD转换器前信号的信噪比，记为SNR2。根据系统需求可得这2个信噪比为：

    一阶低通滤波器的3 dB带宽与其等效噪声带宽的比值约为1：1．5，因此如果低通滤波器采用一阶低通滤波器的话，其3 dB带宽最大为16．7 Hz。本系统为了留余量，将低通滤波器的截止频率设置在了5 Hz。

3 电路设计
3．1 信号通道
    信号通道的电路原理图如图3所示，信号通道由一个带通滤波器和一个放大器组成。由于待测信号的频率范围为500 Hz到2 kHz之间，为了保证精度，将带通滤波器的低频端转折频率foutL约为100 Hz，高频端转折频率foutH约为10 kHz；由于待测信号源等效内阻小于100 Ω，所以滤波器输入端没有加跟随，只是用简单的一阶RC滤波器级联实现。放大器采用FET输入型运放OPA132实现，OPA132的增益带宽积为10 MHz，放大器的放大倍数为52倍。

3．2 相敏检波器
    相敏检波器的电路原理图如图4所示。电路采用了两个带关断引脚的运放TLV2460，当运放的关断引脚(nSHDN)为高电平时，运放正常输出；当运放的关断引脚为低电平时，运放输出为为高阻态。这里使用了一个同相跟随器和一个反相跟随器并联的方式来实现相敏检波，当参考信号为高电平时，U2为同相输出，U3为输出高阻，所以总输出为同相输出；当参考信号为低电平时，U2为输出高阻，U3为反相输出，所以总输出为反相输出。通过这种方法，相当于信号通道信号同步于参考信号与+1和-1进行了乘法运算。采用这种方法进行乘法运算避免了使用昂贵的模拟乘法器，且精度比模拟乘法器要高。

3．3 低通滤波器
    低通滤波器的电路原理图如图5所示。低通滤波器为一个简单的一阶RC滤波器，截止频率约为5 Hz。

4 实验结果
    为了验证电路的性能，设计里一个模拟的被测网络。其基本原理是利用电阻分压模拟网络衰减特性，利用加法器将噪声混到有用信号中。实验的结果如图6所示，其中横坐标为被测信号中有用信号的峰峰值，纵坐标为测量误差，从图中可以看到所有测量结果的误差都控制在了5％以内，而且随着有用信号峰峰值的增大测量误差进一步减小。

5 结论
    本文基于锁相放大器的原理设计了一种低成本的微弱信号检测电路，整个电路只使用了5个运算放大器和一些阻容元件，有效地实现了从被噪声淹没的信号中提取有用信号的功能。与使用成品锁相放大器相比本电路有成本低廉、体积小、易集成等优点；与传统的窄带滤波法相比，本电路有性能好、灵活性高等优点。本文中使用的方法不但可以用来测量本文所诉网络的特性，稍加修改后还可以作为模块电路用在诸如RLC阻抗分析、光谱分析等领域。