相关检测的锁定放大器的设计
2 锁定放大原理
锁相放大器采用的是外差式振荡技术，它把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。即利用锁相放大器中的信号相关原理，对两个混有噪声的周期信号进行相乘和积分处理后, 将信号从噪声中检测出来，并达到通过互相关运算削弱噪声影响的目的。设是伴有噪声的周期信号, 即:
X(t) = S(t) +N ( t)
= A sin(wt +ϕ) +N (t )
其中，N(t)为随机噪声， S(t)为有用信号，A 为其幅值，角频率为ω，初相角为φ。 参考正弦信号为: Y ( t) = B sin(wt +τ) +M (t )
其中，B 为其幅值，τ是时间位移，M (t ) 为随机噪声。则两者的相关函数为：
AB 1T cos(wt +∅) +Rny (t ) Rxy (t ) =lim ⎰[B sin(wt +τ) +M (t )][A sin(wt +ϕ) +N (t )]dt =T →∞T 02
由于在被测量的信号里所包含的各种信号分量中, 参考信号Y(t)的频率只与输入的有用信号频率相关，与随机噪声N( t)的频率不相关，且有用信号S ( t)与随机噪声M (t ) 之间及噪声与噪声之间的频率也均相互独立，所以它们的相关函数为零，即Rny (t ) =0。
于是，就有Rny (t ) =
达到最大。 信号的目的。理论上已证明，当信号的频率和相位已知，采用相干检测技术能使输出信噪比AB cos(wt +∅) 。从而, 令锁相放大器实现了从噪声中提取有用2
3 锁相放大器结构分析
锁定放大器一种利用相关检测技术实现微弱信号检测的仪器，它能精确测量被掩埋在噪声中的微弱信号。锁相放大器的输入为正弦波或方波交流信号，其输出为正比于输入波形幅值的直流信号。锁定放大器的基本组成如图（1），包括信号通道、参考通道、相敏检测器（PSD ）和低通滤波器（LPF ）等。
（1）信号通道对输入信号进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。
（2）参考通道的功能是为相敏检测器提供与被测信号相干的控制信号，故参考输入必须是与被测信号相关的同频信号。参考通道的输出r(t)可以是正弦波，也可以是方波，但为了防止r(t)的幅度漂移影响锁定放大器的输出精度，r(t)最好采用采用占空比为50%的方波开关信号，用电子开关实现相敏检测。
（3）相敏检波器的输出通过低通滤波器压缩带宽，大量的宽带噪声被滤除，使锁相放大器具有很强的抑制噪声能力。锁相放大器的通带宽度取决于低通滤波器的时间常数，时间常数越长，带宽越窄，对信噪比的改善也就越高。信噪比的改善与时间常数的平方根成正比。为使LPF 的输出满足要求，常常使用直流放大器对其输出进行放大。
简言之锁相放大器就是将深埋在噪声中特定频率的微弱信号提取出来并进行放大。 4 具体电路设计及分析
4.1前置放大电路
红外信号检测的前置低噪声放大滤波电路如图（2）。OPA27是一种低噪声精密集成运算放大器，具有共模抑制能力和电源噪声抑制能力强以及高稳定、低失调、超低噪声等特点。红外传感器输出的微弱电信号经耦合电容C （滤除直流电压）加之OPA27的同相输入端经低噪声放大及滤波后输出。为达到高性能电阻应选用金属膜电阻器，电容应选用云母电容器。
uo Au ==1ui 其截止频率约为170HZ 。为防止因噪声过大而使后级PSD 过载这里其放大倍数增益设计为可调11—100倍。
图（2）前置低噪声滤波放大电路
4.2参考频率产生电路
由于红外传感器输出为频率固定的60HZ 的方波，可选用555时基电路构成方波发生器产生频率为方波，作为参考信号的输入。其电路如图（3）
输出高电平时间t H 和低电平时间t L 的计算方法如下：
t H = 0.693(RA + RB )C
t L = 0.693RB C
周期= tH + tL = 0.693 (RA + 2RB
)C
图（3）参考信号产生电路
经计算这里选取C=1uF，RA=0.1K,RB=12K.其输出频率为 f=1/(0.693*(RA+2RB)*C)=60HZ
4.3锁相电路
锁相环CD4046为数字锁相环(PLL)芯片，内有两个PD 、VCO 、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。它具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点，其工作频率达1MHz ，内部VCO 产生50% 占空比的方波。锁相环CD4046的一个重要功能是：内部压迫、控振荡器的输出信号从第4脚输出后引至第3脚输入，与从第14脚输入的外部基准频率信号和相位的比较。当两者频率相同时同，压控振荡器的频率能自动调整，直到与基准频率相同。
4.4相敏检波器
采用AD630组成电子开关式相敏检测器。其电路组成如图（5）。参考方波信号有CD4046产生，待测信号有引脚1输入，参考方波信号有锁相环CD4046实现，经相关运算后有13引脚输出。
4.5 低通滤波电路
图（4）参考信号锁定输出电路
图（5）相敏检波电路
图（6）低通滤波及直流放大电路
4.6总体性能估计
系统总体电路原理图见附录。此电路做到其输出增益可调（1100—20000倍放大），动态范围大，测量灵敏度高能将几十微伏的微弱信号进行精确提取放大。此电路针对特定频率的传感器信号（即输出60HZ ）进行设计，故其频率特性不满足的传感器信号无效。因为IC 锁相环CD4046具有自动捕捉输入信号频率的功能，故为改善其测量使用范围可将CD4046的输入端接至前置放大器的输出端使其自动跟踪所测信号频率，实现输入可调放大，此时。在这种情况下当噪声比较严重时其输出性能可能会有所下降。
附录
系统总体设计原理图