CN204244188U - 基于锁定放大器的信号放大与检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于锁定放大器的信号放大与检测电路，包括方波整形与移相模块、1级放大滤波模块、相敏检波模块、2级放大滤波模块和显示电路模块，1级放大滤波模块、相敏检波模块、2级放大滤波模块、显示电路模块依次相连，方波整形与移相模块输出端连接相敏检波模块输入端。本实用新型采用模拟开关实现开关乘法器电路，达到对微弱信号的锁相滤除非同频噪声并精确放大微弱信号；并基于阻抗匹配电路和锁相技术，将噪声输出减小到最小。

Description

基于锁定放大器的信号放大与检测电路

技术领域

本实用新型属于微弱信号去噪放大和锁相技术领域，涉及一种半导体集成电路，具体为一种基于锁定放大器的信号放大与检测电路。

背景技术

不管在工业领域、军事领域或者日常生活中，各种微弱信号随处可见，例如，各种传感器探测中获得的微弱电信号、强噪声中的语音信号，因此就有检测微弱电压信号的需要。

目前市场上应用于微弱信号的检测放大转换处理电路存在放大电路结构复杂、分析繁琐的弊端，尤其对差模和共模的输入信号采用不同的分析处理方法，虽然精度较高、抗干扰性较强，但电路系统过于复杂且成本较高。而市场上的电路结构相对简单且成本较低的普通微弱信号检测电路，其一般只能处理毫伏级别微弱信号，且抗干扰性和可靠性较差，难以满足检测精度要求较高的场合。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型结合了阻抗匹配技术和锁相技术，提出了一种基于锁定放大器的信号放大与检测电路。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：

基于锁定放大器的信号放大与检测电路，包括：

方波整形与移相模块、1级放大滤波模块、相敏检波模块、2级放大滤波模块和显示电路模块，1级放大滤波模块、相敏检波模块、2级放大滤波模块、显示电路模块依次相连，方波整形与移相模块输出端连接相敏检波模块输入端；

其中，方波整形与移向模块包括依次相连的第一交流放大电路、比较器电路、移相电路；1级放大滤波模块包括相连接的第二交流放大电路和带通滤波电路；相敏检波模块包括相连接的反相器电路和基于模拟开关的开关乘法器电路，方波整形与移向模块的输出信号输入开关乘法器电路，1级放大滤波模块的输出信号分两路，分别输入反相器电路和开关乘法器电路；2级放大滤波模块包括相连接的低通滤波电路和直流放大电路；显示电路模块包括相连接的AD采样电路和微处理器显示电路。

方波整形与移向模块中，第一交流放大电路由高速运算放大器OPA690构成，比较器电路由TL3116型号比较器构成，移相电路为RC移相电路。

1级放大滤波模块中，第二交流放大电路由INA128芯片构成，带通滤波电路由于芯片OPA2140构成。

相敏检波模块中，反相器电路由运算放大器OPA140构成，开关乘法器电路由模拟开关芯片TS5A3159构成。

2级放大滤波模块中，低通滤波电路由芯片OPA140构成，直流放大电路由运算放大器OPA690构成。

显示电路模块中，AD采样电路由AD转换器ADS1118构成，微处理器显示电路为MSP430F6638芯片。

本实用新型采用模拟开关实现开关乘法器电路，达到对微弱信号的锁相滤除非同频噪声并精确放大微弱信号；基于阻抗匹配电路和锁相技术，可将噪声输出减小到最小。

本实用新型的工作原理如下：

微弱信号经1级放大滤波模块后输入相敏检波模块的开关乘法器电路，若与方波整形与移相模块输出的方波脉冲信号同相时，相敏检波模块的输出信号电压为最大值，即信号U2电压值；通过调节方波相位，使相敏检波模块输出信号电压值达到最大，再根据各极放大倍数以及阻抗匹配的总和便可精确计算原始输入微弱信号的电压信号。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、可检测微伏、纳伏甚至更低电压的微弱交流电压信号；

2、采用阻抗匹配电路，可减少信号反射；

3、采用锁相技术，使得测量更精确；

4、采用低噪低温漂低失真的锁定放大器，电路更加稳定。

附图说明

图1为本实用新型系统框图；

图2为方波整形与移向模块结构框图；

图3为1级放大滤波模块结构框图；

图4为相敏检波模块结构框图；

图5为2级放大滤波模块结构框图；

图6为采样显示模块结构框图；

图7为具体实施方式中方波整形与移向模块的电路图；

图8为具体实施方式中第二交流放大电路图；

图9为具体实施方式中带通滤波电路图；

图10为具体实施方式中相敏检波模块电路图；

图11为具体实施方式中低通滤波电路图；

图12为具体实施方式中直流放大电路图。

具体实施方式

下面结合附图和优选方案对本实用新型进行详细说明，以下优选方案仅用于说明和解释本实用新型。

如图1所示，本发明信号放大与检测电路包括方波整形与移相模块、1级放大滤波模块、相敏检波模块、2级放大滤波模块和显示电路模块，1级放大滤波模块、相敏检波模块、2级放大滤波模块、显示电路模块依次相连，方波整形与移相模块输出端连接相敏检波模块输入端。第一路信号为微弱交流待检测信号，从1级放大滤波模块输入端输入，经1级放大滤波模块进行1级放大后，可通过频谱观察出第一路信号中可能会有多种频率信号以及噪声的混合，此时通过信号发射器产生待检测信号的同频正弦信号，即第二路信号，将第二路信号输入方波整形与移相模块。

如图2所示，方波整形与移向模块包括依次相连的第一交流放大电路、比较器电路与移相电路；第二路信号经第一交流放大电路进行高倍数放大至截止失真，使第二路信号接近方波信号并发送至比较器电路获得标准方波信号，移相电路可对标准方波信号进行任意的相位移动，获得电压信号U1。由于第一交流电路的目的仅为高倍放大使信号逼近方波，故只需根据信号频率选取合适增益带宽积的芯片。第一交流放大电路用于获得方波信号，因此需采用增益带宽较大的运算放大器，但对精度要求不高，所以本具体实施中第一交流放大电路由高速运算放大器OPA690构成，放大倍数为500；比较器电路由TL3116型号比较器构成；移相电路为RC移相电路。方波整形与移向模块的具体电路见图7。

如图3所示，1级放大滤波模块包括相连接的第二交流放大电路和带通滤波电路，第一路信号经第二交流放大电路进行放大，输出电压信号送入带通滤波电路中进行滤波带外噪声的预消除，得到电压信号U2。由于第二交流电路除了需要将微弱信号放大至伏特级，还需要防止由芯片内部产生的噪声或者失真现象，故需要采用低噪低失真且放大倍数足够大的芯片。由于第二交流放大电路需要放大输入的微弱信号以便后续测量，要求高的精密度，所以本具体实施中，第二交流放大电路由精密运算放大器INA128芯片构成，低噪低温漂且放大倍数可调；带通滤波器由芯片OPA2140构成。第二交流放大电路的具体电路见图8，带通滤波电路见图9。

如图4所示，相敏检波模块包括反相器电路和基于模拟开关的开关乘法器电路，电压信号U1作为脉冲控制信号输入开关乘法器电路，电压信号U2输入反相器电路，反相器电路将信号反相造成和原始信号相位相差180度，其输出信号和原始电压信号U2作为两路信号输入开关乘法器电路，最终输出的电压信号为U3，由于U1为方波信号，则可采用数字0和1表示，若U1为高电平，输出信号U3为原始输入信号U2的反相信号；若U1为低电平，则输出信号U3为原始信号输入信号U2；当改变前级方波整形中得到的方波的相位使之与U2不同相或反相时，U3中部分为原始信号、部分为其反相信号。本具体实施中，见图10，开关乘法器电路由TI公司的模拟开关芯片TS5A3159构成，管脚6为控制信号U1的输入，两路相位相差180度的信号分别从管脚1和3输入，管脚4为输出端；反相器电路由低噪运算放大器OPA140构成。

如图5所示，2级放大滤波模块包括相连接的低通滤波电路和直流放大电路，电压信号U3经低通滤波电路输出直流电压信号，经直流放大电路获得直流电压信号U4，由上一级电路的特点可发现当U1与U2同相或反相时得到的U4幅值最大，即通过调节U1信号的相位找到这个最大的幅值，用来计算待测信号的幅值。本具体实施中，低通滤波电路由低噪声芯片OPA140构成，其电路见图11，直流放大电路由OPA690构成，其电路见图12。

如图6所示，采样显示模块包括相连接的AD采样电路和微处理器显示电路，直流电压信号U4经AD采样电路将U4的幅值转化为数字信号实时保存至微处理器，通过将最终得到的一系列幅值进行去干扰，经拟合获得U4幅值拟合值，根据前级所有放大器的总放大倍数便可得到待测微弱信号幅值，并在显示屏上显示。本具体实施中，AD采样电路由精确AD转换器ADS1118构成，微处理器显示电路为MSP430F6638芯片，用来处理并计算微弱信号大小，显示屏为LCD屏。

Claims (6)

1.基于锁定放大器的信号放大与检测电路，其特征是，包括：

方波整形与移相模块、1级放大滤波模块、相敏检波模块、2级放大滤波模块和显示电路模块，1级放大滤波模块、相敏检波模块、2级放大滤波模块、显示电路模块依次相连，方波整形与移相模块输出端连接相敏检波模块输入端；

其中，方波整形与移向模块包括依次相连的第一交流放大电路、比较器电路、移相电路；1级放大滤波模块包括相连接的第二交流放大电路和带通滤波电路；相敏检波模块包括相连接的反相器电路和基于模拟开关的开关乘法器电路，方波整形与移向模块的输出信号输入开关乘法器电路，1级放大滤波模块的输出信号分两路，分别输入反相器电路和开关乘法器电路；2级放大滤波模块包括相连接的低通滤波电路和直流放大电路；显示电路模块包括相连接的AD采样电路和微处理器显示电路。

2.如权利要求1所述的基于锁定放大器的信号放大与检测电路，其特征是：

所述的第一交流放大电路由高速运算放大器OPA690构成，所述的比较器电路由TL3116型号比较器构成，所述的移相电路为RC移相电路。

3.如权利要求1所述的基于锁定放大器的信号放大与检测电路，其特征是：

所述的第二交流放大电路由INA128芯片构成，所述的带通滤波电路由于芯片OPA2140构成。

4.如权利要求1所述的基于锁定放大器的信号放大与检测电路，其特征是：

所述的反相器电路由运算放大器OPA140构成，所述的开关乘法器电路由模拟开关芯片TS5A3159构成。

5.如权利要求1所述的基于锁定放大器的信号放大与检测电路，其特征是：

所述的低通滤波电路由芯片OPA140构成，所述的直流放大电路由运算放大器OPA690构成。

6.如权利要求1所述的基于锁定放大器的信号放大与检测电路，其特征是：

所述的AD采样电路由AD转换器ADS1118构成，所述的微处理器显示电路为MSP430F6638芯片。