一种基于开关电容技术的锁定放大器设计

2011-01-27 12:06:32来源: 电子设计工程

随着电子学、信息论、物理学、计算机技术的发展,为满足现代科学研究和技术开发的需要,微弱信号的处理方法得到不断的发展。微弱信号检测技术可以分为两类:1)用硬件电路实现微弱信号的调理和采集,其方法主要有:滤波技术、相关检测技术、同步积累法、开关电容网络及光子计数法等;2)利用计算机技术和信息处理技术从噪声中提取微弱信号。这里主要从硬件方面提出一种新的微弱信号检测电路设计方案,利用开关电容网络和积分器相结合实现检测,在降低噪声的同时,对微弱信号进行放大。

1 锁定放大器工作原理

锁定放大器是基于互相关原理设计的一种同步相干检测仪,能够对检测信号和参考信号进行相关运算。按照互相关的数学表达式,相关器包括乘法器和积分器2部分。考虑到线性范围和动态范围,通常相关器不采用模拟乘法器,而采用线性好、动态范围大、电路简单的开关式乘法器。锁定放大器的参考信号不是一个任意函数,而是和待测信号同步的方波。锁定放大器的工作原理如图1所示。图中乘法器和积分器实现互相关运算,积分器在同步方波的控制下以充放电形成方波信号,以便后续电路处理;带通滤波器(BPF)的功能是选频和放大,根据放大倍数的需要,采用适当级数的BPF;相敏检波器(PSD)把放大后的调制信号再和载波信号相乘,利用低通滤波器(LPF)滤出高频分量,输出直流电平的大小与被测微电流成正比。


    图2为锁定放大器采用的相关原理。

    由此可知,相关器输出为直流电压,其值正比于输入信号的基波振幅,并与参考信号之间的相位差的余弦成正比。

 


    开关电容是用开关控制电容进行充放电的电路,由模拟开关和电容构成,基本电路如图3所示。2个开关由方波信号控制,U1到U2之间的等效电阻Req为:
    
    式中,T表示方波信号的周期,Ieq表示充电电流。开关电容电路相当于T/C的电阻,既可以实现高输入阻抗,又可以组成精度和稳定性都较高的滤波器,也便于集成。

2 设计方法

如图4所示,把图2中的电阻R1换成图3中的开关电容,不仅可以实现相关检测中乘法器的功能,而且电路本身具有一定的滤波性能。如果改变控制信号的周期和积分电容的大小,就可以改变信号输出的幅值,且便于集成。由于采用积分环节,降低了噪声对微弱信号的影响。此时式(4)变为
    
    由式(6)可知,输出的电压是直流信号。为了测量的准确,利用同一方波信号控制开关电容和积分电容的充放电,即当C1充电时,C2放电;反之,当C2充电时,C1放电。这样电路输出周期性的方波信号,经过BPF后为固定频率的正弦信号,通过改变BPF级数和放大倍数可以改变整体电路的倍数,以便测量更小的微弱信号。最后信号通过PSD后输出稳定的直流信号,便于后续电路采集。R0可以看作是开关导通电阻,可以加反馈电阻。由式(6)可知,通过改变C1和方波频率的大小,就可以改变电路的放大倍数,但是频率可调会增加BPF设计的难度。为了提高锁定放大器的性能,可以在BPF的通带内调节电容或者频率。

 

    利用开关电容实现相关算法的电路如图5所示。开关控制信号由信号源输出的方波信号提供,用CD4052两片模拟开关来控制开关电容和积分电容充放电,A2是第一级BPF电路,U0接入后续电路。



3 数据分析

测量用的微弱信号通过电阻分压获得。在电路调试中选择电容C1、C2的值均为0.1 μF,开关控制信号的频率为1 kHz,输入的电流为微安级,电路的输入输出关系如图6所示。图6(a)表示直流测量数据,图6(b)表示交流测量数据(电容为O.1μF,控制信号和输入信号的频率均为1 kHz,控制信号是方波信号,输入信号是正弦信号)。


    由图6可知,电路的线性度较好,说明本方法是可行的。改变开关电容和积分电容的大小,会改变电路灵敏度的大小,但不会改变线性度和稳定性。该电路结构简单,在降低噪声的同时,可以将微弱信号放大很多倍,并变成与其对应的直流信号,便于采集和显示。积分器输出电压不能太大,否则波形易失真,会引起测量误差。为了便于后续处理,通过改变BPF的级数和放大倍数以增加整体电路的放大倍数,从而能够测量更小的微弱信号。

4 结论

本文利用开关电容和积分器相结合实现了锁定放大器的功能。该电路结构简单,线性度和稳定性较好。不但可以降低噪声,而且将微弱信号放大很多倍,并变成与其对应的直流信号,以便采集和显示。对于皮安级电流,采用本相关器,可以使输出电压达到微伏级,通过BPF后可以达到伏特级。

关键字:开关电容  积分器  相关检测  锁定放大器

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0127/article_4341.html
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