摘要：針對目前成品鎖相放大器價格昂貴且體積大，傳統(tǒng)窄帶濾波法性能和靈活性差的特點，設(shè)計了基于鎖相放大器原理的微弱信號檢測電路。本電路采用單片機作為激勵信號和參考信號的發(fā)生器，利用帶關(guān)斷引腳的運放實現(xiàn)相敏檢波器，整個電路僅使用了5個運算放大器和一些阻容元件。實驗表明，本電路能實現(xiàn)了從信噪比為0.1的被測信號中提取有用信號幅值的功能，測量誤差控制在5%以內(nèi)。由于本電路有實現(xiàn)簡單和成本低的特點，稍加修改后可作為模塊電路用到其他測量系統(tǒng)當中。
在科學(xué)研究和工程實踐中，對于微弱信號的檢測有如下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。這種方法由于實現(xiàn)起來簡單且成本比較低，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，很難實現(xiàn)，而且這種方法只能測量單個頻點的信號，靈活性較差。
2)相關(guān)檢測。相關(guān)檢測技術(shù)主要利用有用信號的相關(guān)性，以鎖相放大器為例，將待測信號和參考信號相乘，由于參考信號和待測信號有相關(guān)性相關(guān)性，但和噪聲卻沒有相關(guān)性，因而對相乘后的信號進行濾波后會得到一個直流分量，該信號中包含了待測信號的幅值和相位信息。
由于與窄帶濾波的方法相比，鎖相放大方法可以實現(xiàn)大得多的信噪比，因而在需要高度精密測量的領(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量領(lǐng)域的主流方法。為了測量某被測網(wǎng)絡(luò)的特性，本文利用鎖相放大器的原理，設(shè)計了一種微弱信號檢測電路用以代替?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，并且可以直接作為模塊電路集成到實際系統(tǒng)當中。
1 總體設(shè)計
1.1 系統(tǒng)需求
如圖1所示，將一個激勵信號輸入到被測網(wǎng)絡(luò)中，通過測量從被測網(wǎng)絡(luò)輸出的信號，我們可以得到被測網(wǎng)絡(luò)的一系列特征信息。激勵信號的頻率范圍為500 Hz到2 kHz。由于被測網(wǎng)絡(luò)的作用，輸出的被測信號中有用信號被噪聲所淹沒，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;而有用信號的峰峰值在100 mV到200 mV之間。為了準確的獲取被測網(wǎng)絡(luò)的特性，要求微弱信號檢測電路從噪聲中測量出有用信號的峰峰值，對有用信號的測量精度要求在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。單片機產(chǎn)生兩路相互正交的參考信號，由于被測信號是由單片機產(chǎn)生的激勵信號通過被測網(wǎng)絡(luò)后得到的信號，因此可以做到被測信號與參考信號同頻。系統(tǒng)中其余各部分的功能如下：
1)信號通道。信號通道主要是對被測信號進行預(yù)濾波和交流放大等處理。預(yù)濾波提高了信號的信噪比，減小了對相敏檢波器的動態(tài)容限的要求，交流放大使得信號在進入相敏檢波器時有合適的幅值。
2)相敏檢波器。相敏檢波器對被測信號和參考信號進行乘法運算，并得到它們和頻與差頻信號。由于被測信號和參考信號通頻，和頻信號為直流信號。差頻信號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以及噪聲信號，提到輸出直流信號的信噪比。
4)單片機。單片機產(chǎn)生參考信號以及激勵信號，并通過AD轉(zhuǎn)換器采樣低通濾波器輸出的兩路信號，計算后得到被測信號的幅值和相位，最終通過LCD顯示測量結(jié)果。
