基于双相锁相的微弱信号矢量测量2

张衍波

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。
为了实现对低达1uV的信号进行放大，该模块需要一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
—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
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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,因此本模块需要一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。