简易锁相放大器

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摘要:
本设计由信号调理电路和单片机控制两模块组成。电路分为前级低噪放大、中心频率可调滤波、程控放大、低直流偏移乘法器、低通滤波、有效值转换电路、DDS参考信号发生七部分。所有程控部分及测量部分由MSP430F1611 单片机作为控制器实现。单片机主要控制DDS芯片，系统量程自动切换，带通滤波中心频率跟踪，及乘法运算后滤出的直流分量的AD采样，最后根据整个过程信号的增益计算信号测量值。本设计的创新之处在于使用DDS芯片作为参考源，实现了频率的连续控制。


一、作品简介
作品简介:本作品以TI微控制器MSP430F1611为主控及测量芯片，模拟部分应用TI小信号运放TLC2652及程控运放PGA204完成信号放大，其中模拟部分的一大亮点便是应用通用运放OP07和通用数模转换芯片DAC0832搭建的程控滤波电路对初步放大之后的信号进行带通滤波，进一-步提升系统的噪声抑制比。相敏检波模块由AD630实现，参考信号发生模块利用DDS芯片AD9954实现。

设计目标:设计一-简易锁相放大器，实现微弱信号(峰峰值微伏级)噪声中的提取，并可应用在极小电阻(毫欧级)测量中。

指标要求:




作品实现
(一)设计方案论证:
本设计分一下几个模块:前级放大，程控滤波，程控放大，相敏检波，低通滤波，参考信号发生电路，现对其中主要模块选用方案进行论证。

1、前级低噪放大电路方案论证与比较
为了实现对低达1uV的信号进行放大，该模块需要-个噪声极低的的前级运放将信号初步放大，要求前级电路引起的噪声不会被后级电路放大到饱和。结合后级放大，本模块需将信号放大46dB左右。且根据题目要求，并不需要高带宽的运放芯片，而有意地选取低带宽运放构成恰当的通频带，可直接滤去高频噪声。

方案一:选择通用精密运放做前级放大，但对于微伏级信号来说，普通精密运放的温度系数和噪声系数均不能达到要求，所以需要另一款专用小信号放大芯片。

方案二: TLC2652是德州仪器公司使用先进的LinCMOS工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。TLC2652共模电压、低频噪声、电源共模抑制比都比较理想，非常适合用于微弱信号的放大。因此本部分利用TLC2652做两级放大。经调试证明，该芯片对小信号的放大效果良好，故该模块选用此运放作为前级低噪声运放。


2、程控滤波电路方案论证与比较
发挥部分要求所测量信号频率可变范围为100Hz-10KHz。带通滤波器能滤去大部分噪声，可提高系统性能。根据题目要求，本模块需要一个中心频率可 跟踪信号频率的带通滤波器，于是有以下方案:

方案一:采用专门的可编程滤波芯片，MAX26x 系列芯片可完成此要求，其内部利用开关电容来实现中心频率的控制。外围电路结构简单，程序控制方便。但其直流偏移及本身开关电容特性引入的噪声不能忽略，故放弃。

方案二:采用状态变量可调滤波电路，这种滤波电路截止频率与Q值受不同元件控制且互相没有影响。可以用乘法型数模转换芯片代替电路中控制中心频率的电阻，通过程序改变DA输出以改变等效接入电阻达到中心频率程控的目的。该方案电路简单，经济，经实验可达到要求。所以，该部分采用该方案设计程控滤波模块。


3、程控放大案方案论证与比较
题目要求所测量信号幅度范围为1μV--10mV。 信号范围较大，可针对不同信号大小进行程控放大，以使最后输出直流信号在单片机AD的最佳采样范围。

方案一:采用TI的压控增益运放THS7530,该芯片带宽高，增益范围11. 6dB一-46.5dB，噪声也极低，但由于是模拟控制增益，要求用到的DA控制端及其本身的增益精确度较高，在调试及应用中不是很方便，虽然可实现增益连续可调，但增加了系统的复杂程度，故舍弃。

方案二:采用TI的数控增益仪用运放PGA204,该芯片模拟方面基本达到作为后级增益可调运放的要求，且外围电路简单，由两个数字引脚控制芯片的增益。固定四级增益为1，10， 100， 1000， 对应数字管脚的四个状态，可达到多级放大的要求。实际调试中也表现良好，增益误差也在可接受范围内，故程控放大部分选用此芯片。


4、相敏检波模块方案论证与比较
本部分是整个锁相放大的核心，其动态范围决定了系统从噪声中提取信号的能力。按照题目发挥部分40dB噪声抑制的要求，我们有以下方案:
方案一:采用模拟乘法器芯片AD835。可直接让放大滤波后的信号与参考信号进行乘法运算，但其直流偏移较大，典型值达到+23mV，最大值+75mV，因此无法实现较大的动态范围，故舍弃。

方案二:采用模拟开关DG201HS。基于开关变换的方波乘法运算具有动态范围宽，直流偏移小的特点。但单开关芯片要实现全波PSD需要外部电路的支撑，实现电路较复杂。

方案三:采用专用调制解调芯片AD630。AD630内部是由-一个比较器控制的两路运放结构，灵活的内部电路安排使得不需要外部电阻电容即可实现放大及调制解调功能，而极低的通道偏移电压使得该芯片具备很宽的动态范围，相比以上类型芯片其应用简单，且同时实现了上述芯片的所有功能，达到应用需求，故该模块选用AD630作为相敏检波的核心芯片。


5、参考信号产生模块方案论证与比较
参考信号频率须与信号频率相同，才能产生差频为零的直流分量，为保证噪声抑制能力，对参考源频谱纯度要求较高。按照发挥部分的要求，可测信号频率为100Hz~10KHz,因此本模块需要- - 个频率可控的参考信号源。

方案一:采用锁相环电路产生参考信号源，采用锁相环电路的信源具有频率纯度高的最大特点，在锁相放大器参考信号实现中也应用最多，但它的缺点也很明显，频率的可控性差，有限的频率应用点使得其应用受到限制。

方案二:采用专用DDS芯片作为参考信号源。DDS相比锁相环电路最大的特点便是频率的易控制性，且本身数字合成的特性使得DDS可以片内就实现输出相位的控制，虽然DDS产生信号频率特性仍不如锁相环类信号源，但在本应用中，仍可以达到很好的性能指标，故本系统创新性地使用DDS芯片作为参考信号源。


(二)理论分析:
1.前级放大模块
为了对1μV信号进行放大以及防止对噪声放大的饱和，本模块选取前级放大倍数约为200倍两级放大路。两级分摊增益。根据发挥部分待测信号的通频特点，在第一级运放加入0.1HF的隔直电容及在第二级运放加入6.8pF的反馈电容很好的抑制了10Hz 以下10KHz以上的噪声分量。其原理图见附件二。

2.程控带通滤波模块
本模块采用反转输入型状态可调滤波电路(其原理图见附图三)。设计中采用国半的乘法型DA:DAC0830来代替本滤波电路中的相关控制电阻，通过单片机控制DAC0830来改变其输出电流关系，从而改变等效接入电阻而达到程控的目的。Digt为8位DA控制字，其等效电阻R的计算公式:




3.程控放大模块
根据题目规定的测量范围1μV- 10mV，其最小值与最大值相差10000倍，须分段将信号放大，以适应不同的量程，将每段信号放大到AD最佳采样范围内(MSP430F1611可选AD参考电压为1.5V和2.5V)，经整个过程的增益计算，本设计将信号分为4个量程1μV--10uV, 10μV--100μV, 100μV- -1mV, 1mV- 10mV。这充分利用了PGA204 的4个固定增益值1，10, 100，1000。该模块外部电路简洁，数字增益控制简单，准确。原理图见附图4。

4.乘法检波模块
根据参考信号的极性，AD630选择性地将信号的2倍或反向2倍作为输出，这便等效为将信号乘以一一个峰峰值为4V的方波，构成了一一个全波PSD,这样基于开关转换的乘法运算便完成了检波动作。

如图3所示，为AD630的输出信号与测量信号和参照信号之间相位差的关系及输出直流分量与测量信号和参照信号之间相位差的关系。




AD630自带的增益系统灵活可调，此处选用2倍增益。根据傅立叶级数分解关系，直流分量为输出信号在时域的平均值，当参考信号与待测信号的相位差为0时，直流分量输出为:



当参考信号与检测信号之间相位差为θ时PSD的输出为：



根据后续的直流分量检测值，结合上式及整个过程信号的增益和必要的修正可得最后信号测量值(注:-上两式均假 设AD630内部放大器的增益为1)。本模块电路图见附图5。

5.低通滤波模块
本低通滤波模块选用由运放搭建的有源滤波电路，实现2阶滤波，转折频率实测为0.3Hz，经验证效果良好。电路图见AD630原理图后级低通滤波模块。

(三)系统框图及软件流程图
1，系统框图




2，软件流程图
软件流程说明:开机初始化后选择运行模式，在测量模式下软件设置DDS输出，及滤波模块中心频率，然后将程控增益设置为最小，开始信号检测过程，待低通输出稳定后AD采样，若数据小于一阈值，则增大增益，循环直到测出数据在AD采样最佳范围，转换出结果，送出显示，完成信号检测过程。



(四)选用TI器件，见下节。

三、所使用TI模拟器件简介
(1)前级放大模块
在微弱信号的测量中，常常需要放大微伏級的电信号。这时，普通的运算放大器已无法使用，因为它们的输入失调电压一般在数百微伏以上，而失调电压的温度系数在零点几微伏以上。固然输入失调电压可以被调零，但其漂移则是难以消除的。

TLC2652是德州仪器公司使用先进的LinCMOS工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器。斩波稳零的工作方式使TLC2652的失调电压及其漂移、共模电压降低到最小，TLC2652 非常适合用于微信号的放大。

在元件的选择中需要特別注意的是，电路中的两个记忆电容CXA和CXB必须    使用电介质常数很高的优质电容器。例如，聚酯薄膜电容器、聚苯乙烯电容器、聚丙烯电容器等可以作为记忆电容器。容量可以从0.1μF至1μF中选择，电容的一端接到CXA或CXB引脚，另-端接至VDD-或C RETURN引脚。在一些运算放大器中把记忆电容接至VDD-引脚会增加噪声，而TLC2652则沒有这种问题。

TLC2652的内部时钟使斩波器工作在450Hz的频率上。在14引脚封装的芯片中，斩波频率可以通过INT/EXT和CLK IN引脚进行调节。当这两個引脚悬空时，电路使用內部的450Hz时钟:使用外部时钟时，可把INT/EXT引脚对VDD-短路，同时从CLK IN引脚输入时钟信号，幅度为2.5V (相对于VDD )。从理论上讲，为了尽量展宽电路的频带，斩波频率fe应越高越好，但fe的提高又会造成严重的尖峰效应，同时电路将会变得很复杂。所以本次设计采用了TLC2652的内部时钟。这就是导致斩波稳零运算放大器频带窄的原因。由于TLC2652存在寄生可控矽效应，使用時可在正负电源串接一只200- 5100的限流电阻，同时保证不使电路的输入与输出电压超出电源电压源300mV。同时，本部分及后续滤波运放工作均采用电池供电，电池供电的优点是纹波很小，且不用考忠电源的陷波处理，减少了电路的复杂程度。

TLC2652往往在输入电压为微伏量级的情况況F高增益工作。要保证放大器的精度，一是负反馈电阻必须有足夠的精度，且电路的闭环增益不能太大:二是必须提高印制板的质量，防止印质板表面的漏电流。因此，设计时负反馈电阻采用了精密电阻，分两级放大。为了减少漏电流，可在印制板上设置保护环，尤其是14引脚和20引脚的芯片，可以充分利用输入端周围的空脚。(见附图2)

(2)程控运放模块本部分选用TI数控运放PGA204作为程控运放部分，以实现切换量程，本设计的一大亮点便是通过采样反馈来调整PGA204 的增益值，使最后直流输出在MAP430的最佳采样范围，以充分利用AD精度，使得在低AD位数的情况下得到较高精度，充分利用MSP430内部资源。PGA204 是TI的代表性低成本、通用、仪用程控运放。四级固定增益为1, 10, 100, 1000。 本设计充分利用此四档，经整个过程的增益计算，将信号分为4个量程1四V- -100V, 104V- -100uV, 1001VInY, ImV- -10mV. PGA204的数字接口兼容性好，同时内部的保护电路使得接口可以承受对于土40V的电压。且PGA204 内部电路由激光技术校正使得芯片具有低偏移电压(504V)及溧移(0. 25WV/* C),及较高的共模抑制比(115dB at G=1000)。

其较低静态电流也使得其可以应用在低功耗系统中。

在噪声较大情况下，为防止芯片击穿，可在PGA204输入口介入放电二极管，保护后级放大器。

(3)低通滤波器模块滤波器的作用是滤除调制解调器输出的高频分量，得到近直流分量。由于高颓与低频的频差较大，对滤波器的截至特性要求不高，故此模块选Butterworth型滤波器，拥有最大振幅平坦特性。同时选用TI通用运放0P07作为滤波电路中运放芯片，达到性能同时节约成本。

(4)程控滤波器模块本部分未用集成芯片实现，使用了三运放搭建的状态可调滤波电路，运放采用TI通用运放0P07,调整电阻利用DAC0832实现，通过改变DAC输出电流，可改变其接入电阻，通过改变接入电阻实现带通滤波器的中心频率。


四、MSP430使用
1.外设接口分配:



注意事项:
1)鉴于为控制其系统为较高速系统，其地端相对模拟部分含较多杂波，故应将MSP430F1611部分与前级放大滤波部分的地及电源隔离开来，本系统在PGA204控制模块及AD模块共地线由磁珠隔离开来，减少来自数字部分的干扰。

2) MSP430 的数模转换模块输入电阻不高(见1611 users’guide)， 为减少误差，来自低通滤波器的输出应接一-缓冲，以减小其输出阻抗。

2.内部电路使用技巧:
由于系统响应时间较长(输出稳定时间较长)，故利用延时程序(时长由调试而定)，待系统稳定后多次采样得最后结果，如前所述，为充分利用430内部12位AD而节省使用高位数AD成本，本部分利用程控运放的控制，引入量程的巧妙切换使得直流输出在AD最佳采样范围，本设计应用AD为430内部自带参考源，为2.5V,因此，须将信号放大到此范围内，利用反馈机制，在测量信号少于0.1V时便将增益提升一档，直至最佳。

3.低功耗实现:
本设计的低功耗实现为在等待红外键盘输入时计数，若超过一一定时间微控制器系统便进入低功耗状态，同时外围器件均选用低功耗芯片如TLC2652, PGA204工作电流均很小。从而实现系统的低功耗，为整个系统的便携化打下基础。

4.编程感想及软件注意事项:
MSP430系列是TI推出的超低功耗同时功能强大的微控制芯片。本设计采用芯片型号为MSP430F1611。编译平台为IAR公司出品，支持在线调试，这为本设计节约了大量的时间，例如一- 些参数的调试修改中我们可以实时看到RAM中的值，并可以迅速根据结果改变程序参数并再次下载修改后程序。如本次程序中的延时参数，我们在系统组装后整体调试是发现结果与理论相差较大，后来将电脑与系统连接，并将最后直流输出显示在示波器上，最终发现延时太短，系统尚未响应时AD便已开始采样，结果当然不对，更多的例子说明实时调试的效率是非常高的，问题会在第一一时间被发现，处理。

程序中各个模块均在比赛前有所准备，如AD9954的驱动，键盘液晶驱动，AD采样等，比赛中我们一边调试硬件一-边将 程序组织起来，实现软硬件的同步，虽说本设计的重点是硬件模拟部分，但更好的软件才能充分发挥硬件潜力，如怎    样更快得到测量结果，怎样使得系统功耗更低，怎样使系统人际交互更简易等。

MSP430的IAR编译平台较人性化，支持一-键烧录及调试功能，但平台仍有时崩溃，重启程序即可，建议时常保存源文件。

随着MSP430系列在中国的推广，一些关于MSP430的论坛发展不错，较好的论坛由利尔达430论坛及微控论坛。论坛上的一-些前人的经验是无价的。但自己动手得来的经验是印象最深的。


五、作品性能指标
1.系统测试方法

(1)测试方案:
用电阻网络分压测量小信号，由数字示波器观察各级波形，利用不同限流阻值实现不同量级信号。本测试中小阻值电阻阻值为1欧。大电阻分别为10k, 100k, IM,对应100uV级别，10uV级别，1HV 级别。驱动电压为DDS产生的峰峰值为1V的正弦信号。频率为89Hz，加在驱动端，在各个节点处取出电压测量。




2.测试性能概览:



3.误差分析
由表可知，数据在100，10微伏级别误差均限制在10%，量程较大时误差较小，在小信号(微伏级别)时误差较大，测量时大信号得出的值较稳定，小信号时每次测量数据变化较大，噪声使得在测量小信号时输出有一一定的抖动，偏差表现出一定的随机性。

首先由于测量电阻(分压电阻及取样小电阻，后者影响更大)的精度不高，上表中预计值一 栏只是起一-定参考作用。此误差分析主要针对微伏级信号，大信号是结果是十分准确的，微伏级是本系统测量维持在较高精度上的极限。


误差来自多方面，甚至包括单片机内计算浮点误差，当然更大的来源于系统内外的噪声，系统内:由于系统较庞大，信号流经级数较多，虽然所选器件均为低噪器件，但难免引入噪声，这在小信号测量时便体现出来。而系统外噪声较难控制。抑制噪声，便是锁相放大器的直接目的。总之，本设计测量达到较满意结果。

4.可以进一步改进的地方:
(1)频响方面:可测信号量程上，根据附件2中测试数据可知，对微伏级别信号的放大偏差较大，误差最大达到了15%， 但对十微伏及以上级别的信号的测量与预期值是十分接近的。总体来说，满足题目对1微伏至10毫伏的要求。可测信号频率方面，对参考频率扩展的要求也基本达到，由于DDS频率调节的便利性，输出信号可以实现连续可调。但实际测量时，不能将信号频率设置过高，由于关键程控运放芯片PGA202的不慎损坏，只能用PGA204代替，前者的频率特性优于PGA204，因为PGA204的增益带宽积有限，故在欲设置较大增益及测量频率较高时数据发生较大偏差，因而信号的实际增益不能达到预设值，这不能不说是本设计的遗憾，所以测量微伏级信号时测量频率不能设置太高。而PGA204在设置为较小增益(1或10)时可以实现频率的任意控制。由于时间限制无法改进，因此本部分可以

(2)测量相位差(功能拓展)方面:把系统中AD9954 改为AD9854, AD9854是双路正交输出，通过两路相敏检波，可实现参考信号与测量信号相位差的测量。

(3)使用UAF42滤波芯片: UAF42 是TI公司的一款专用滤波芯片。可减少系统复杂度，进一步减少系统功耗。

5. 附录

(一)测试数据
实测数据I. 100uV 级别电阻网络为: 限流电阻10k激励电压 Vpp=1.0V频率89Hz



2. 104V级别电阻网络为:限流电阻100k激励电压Vpp=1.0V频率89Hz



3. 1HV级别电阻网络为:限流电阻1M激励电压Vpp=1.0V频率89Hz



噪声抑制比测试
本部分测试方案:将峰峰值同为1V的随机噪声和正弦信号分别驱动分压网络，用锁相放大器测量预计值为40微伏的节点处电压大小，将两值对比即得噪声抑制比。

实测数据表:




噪声抑制比计算:



(二)部分重要电路实物图
前级二级放大模块:



接地保护环:



整机实物图：

春风十里

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冰月银离

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