摘要：針對(duì)目前成品鎖相放大器價(jià)格昂貴且體積大，傳統(tǒng)窄帶濾波法性能和靈活性差的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于鎖相放大器原理的微弱信號(hào)檢測(cè)電路。本電路采用單片機(jī)作為激勵(lì)信號(hào)和參考信號(hào)的發(fā)生器，利用帶關(guān)斷引腳的運(yùn)放實(shí)現(xiàn)相敏檢波器，整個(gè)電路僅使用了5個(gè)運(yùn)算放大器和一些阻容元件。實(shí)驗(yàn)表明，本電路能實(shí)現(xiàn)了從信噪比為0.1的被測(cè)信號(hào)中提取有用信號(hào)幅值的功能，測(cè)量誤差控制在5%以內(nèi)。由于本電路有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和成本低的特點(diǎn)，稍加修改后可作為模塊電路用到其他測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)中。
在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中，對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)有如下2種常見的方法：
1)窄帶濾波。即將帶噪聲的微弱信號(hào)濾波，根據(jù)需要的輸出信噪比選擇合適的通頻帶帶寬。這種方法由于實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單且成本比較低，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是為了得到高的信噪，要求濾波器的通頻帶很窄，這可能存在中心頻率不穩(wěn)定等問題，很難實(shí)現(xiàn)，而且這種方法只能測(cè)量單個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)，靈活性較差。
2)相關(guān)檢測(cè)。相關(guān)檢測(cè)技術(shù)主要利用有用信號(hào)的相關(guān)性，以鎖相放大器為例，將待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)相乘，由于參考信號(hào)和待測(cè)信號(hào)有相關(guān)性相關(guān)性，但和噪聲卻沒有相關(guān)性，因而對(duì)相乘后的信號(hào)進(jìn)行濾波后會(huì)得到一個(gè)直流分量，該信號(hào)中包含了待測(cè)信號(hào)的幅值和相位信息。
由于與窄帶濾波的方法相比，鎖相放大方法可以實(shí)現(xiàn)大得多的信噪比，因而在需要高度精密測(cè)量的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于鎖相放大器是一種十分昂貴的儀器，在一般的工程測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用的并不多，目前窄帶濾波的方法依然是一般工程測(cè)量領(lǐng)域的主流方法。為了測(cè)量某被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的特性，本文利用鎖相放大器的原理，設(shè)計(jì)了一種微弱信號(hào)檢測(cè)電路用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的窄帶濾波方法，這種電路具有性能好、成本低的特點(diǎn)，并且可以直接作為模塊電路集成到實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中。
1 總體設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)需求
如圖1所示，將一個(gè)激勵(lì)信號(hào)輸入到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，通過測(cè)量從被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)，我們可以得到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的一系列特征信息。激勵(lì)信號(hào)的頻率范圍為500 Hz到2 kHz。由于被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的作用，輸出的被測(cè)信號(hào)中有用信號(hào)被噪聲所淹沒，其中噪聲的峰峰值最大為1 V，其的功率譜在100 Hz到1 MHz內(nèi)近似平坦分布;而有用信號(hào)的峰峰值在100 mV到200 mV之間。為了準(zhǔn)確的獲取被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的特性，要求微弱信號(hào)檢測(cè)電路從噪聲中測(cè)量出有用信號(hào)的峰峰值，對(duì)有用信號(hào)的測(cè)量精度要求在5%以內(nèi)。
1.2 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，本系統(tǒng)基于正交矢量鎖相放大器的原理實(shí)現(xiàn)，其中包含了兩路相敏檢波器和兩路低通濾波器。單片機(jī)產(chǎn)生兩路相互正交的參考信號(hào)，由于被測(cè)信號(hào)是由單片機(jī)產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)通過被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后得到的信號(hào)，因此可以做到被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)同頻。系統(tǒng)中其余各部分的功能如下：
1)信號(hào)通道。信號(hào)通道主要是對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波和交流放大等處理。預(yù)濾波提高了信號(hào)的信噪比，減小了對(duì)相敏檢波器的動(dòng)態(tài)容限的要求，交流放大使得信號(hào)在進(jìn)入相敏檢波器時(shí)有合適的幅值。
2)相敏檢波器。相敏檢波器對(duì)被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，并得到它們和頻與差頻信號(hào)。由于被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)通頻，和頻信號(hào)為直流信號(hào)。差頻信號(hào)通過后面的低通濾波器濾除。
3)低通濾波器。低通濾波器濾除和頻信號(hào)以及噪聲信號(hào)，提到輸出直流信號(hào)的信噪比。
4)單片機(jī)。單片機(jī)產(chǎn)生參考信號(hào)以及激勵(lì)信號(hào)，并通過AD轉(zhuǎn)換器采樣低通濾波器輸出的兩路信號(hào)，計(jì)算后得到被測(cè)信號(hào)的幅值和相位，最終通過LCD顯示測(cè)量結(jié)果。
