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基于双相锁相的微弱信号矢量测量2
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基于双相锁相的微弱信号矢量测量2
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张衍波
张衍波
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电梯直达
沙发
发表于 2015-4-13 17:44:21
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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
4
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。
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