【摘要】锁定放大器是微弱信号检测的重要环节，本设计以相敏检波为核心，实现了微弱信号检测的锁定放大器的设计。
【关键词】锁定放大器;相敏检波;数字移相
引言
微弱信号检测（Weak Signal Detect）是利用电子学，信息论，物理学和计算机（积分器）组成的互相关运算，用模拟电路实现 基于相关运算的模拟锁定放大器。它在认识噪声、信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门技术科学。
1.设计方案
系统结构如图1所示。系统主要由三个部分组成，交流放大器、相敏检波与低通滤波和相位检测与控制。
系统设计中具有三个突出特点：
一是采用了低噪声、高精度运算放大器OPA2277实现对10uV信号的放大;
二是采用了高精度的相敏检波电路实现对已知相位信号的高精度检测;
三是采用数字相移技术实现对控制信号的0～180o高精度相移，同时采用单片机和TI的12位高速高精度A/D转换芯片TLC2543，实现了对被测信号的峰值、有效值实时监测和显示。
图1 锁定放大器基本结构框图
2.硬件电路设计
锁定放大器系统硬件设计主要包括交流放大部分和相敏检波部分。由于被测信号很微弱，则要求前置放大器必须具备高增益、低噪声的特点，故交流放大器采用高精度、低噪声OPA2227双运算放大器实现两级放大，电路原理图如图2（a）所示。相敏检波器采用模拟开关CD4503实现斩波功能，达到全波整流的目的。检波电路具有判别信号相位和频率的能力，结构简单，性能可靠。电路原理图如图2（b）所示。
图2 （a）二级交流放大原理图 （b）相敏检波电路原理图
3.系统软件设计
软件部分主要实现数字移相功能及有效值的显示。系统软件采用C语言开发，在keil环境下调试并实现功能。数字移相程序流程图（图3为主程序流程图和数字移相流程图）。
4.测试结果
（1）图4为相敏检波电路仿真结果。
（2）微弱信号S（t）有效值的测试结果
固定移相相位0度，调节第一级纯电阻分压的104电位器，监测输入信号幅值与AD采集直流放大输出电压，将采集数据在Excel数据表中拟合数据线性关系，测量数据以及对数据分析曲线如下：
幅值/mV 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
ADC采集/mv 1930 1875 1810 1755 1700 1641 1582 1532 1472 1418
5.结语
本文提出了一种基于二选一模拟开关实现相关的锁定放大器的系统设计方案，解决了在应用设计中电路复杂的问题。电路稳定可靠，精度高，抗噪性能强，对工业控制、仪器仪表等诸多领域具有很高的实用价值。
参考文献
[1]康华光.《电子技术基础 数字部分》（第五版）.高等教育出版社，2006年.
[2]康华光.《电子技术基础 模拟部分》（第五版）.高等教育出版社，2006年.
[3]高晋占.《微弱信号检测》.清华大学出版社，2004年.
作者简介：鲍宋（1989—），男，大学本科，现就读于长江大学测控技术与仪器专业。
通讯作者：魏呈霖（1989—），男，长江大学在读硕士研究生。