摘要 为更好地提取被噪声吞没的弱小信号，在剖析了锁相扩大器原理的基础上，选用CD4046和AD630规划了一个双相位锁相扩大器，并进行了试验验证，试验验证成果标明，该扩大器能够丈量1 mA以下的沟通电流，灵敏度为20 mV／mA，精度0．05％，是一种高精度、有用型锁相扩大电路。
关键词 锁相扩大电路；CD4046；AD630
跟着科技的不断进步，被噪声掩盖的各种弱小信号的检测越来越受到重视，常用的检测办法有同步累加和锁相扩大法。文中首要论说一种有用的确认扩大器的规划办法。
1 锁相扩大原理
1．1 锁相扩大原理及双相位锁相扩大器
锁相扩大器的作业原理结构如图1所示，包含想信号通道，参阅通道，相敏检测器(PSI))和低通滤波器(LPF)。
信号通道对调制正弦信号输入进行沟通扩大，将弱小信号扩大到足以推进相敏检测作业的电平，而且要滤除部分搅扰和噪声。图中滤波电路挑选带通滤波电路，通过带通滤波电路后的信号输入信号与参阅输入信号进入PSD做一个乘法。PSD的功用是将输入信号与参阅信号进行混频，输出和频信号和差频信号。LPF用于输出相乘后的差频信号，一起滤掉和频信号，然后得到扩大后的弱小信号。参阅能够是从外部输入的某种周期信号，也能够是体系内原先用于调制的载波信号或许用于斩波的信号。在外差式震动技能中被称作本地振动，用于做乘法运算完结的信号，在锁相扩大器中被称作参阅信号是从外部输入的。
频率改换是通过乘法运算完结的，一般的乘法运算模仿电路，其线性度和稳定性均有问题，因而，在实践的锁相扩大器中，频率改换是选用开关元件进行同步检波来完结。由开关元件所进行的同步检波电路，称作相敏检波器，相敏检波器是锁相扩大器的中心。
PSD的输出信号会由于输出信号和参阅信号而发生较大改变，因而导致LPF的输出也会改变，即锁相扩大器的丈量值会发生改变。关于单相位锁相扩大器，除了相位差为0之外，在其它相位差情况下，不能很好地丈量被测类型的巨细，所以此刻应该将参阅信号的相位移动90°，试用两个PSD，组成双相位锁相扩大器，这样就能正确的丈量振幅和相位，其原理如图2所示。
被测信号通过扩大滤波后别离与两个正交的参数信号相乘，再通过低通滤波后得到的是直流重量，直流重量通过扩大后输出，被测信号的幅值与R的联系为
通过式(1)能够丈量被测信号的幅值。其间φ为被测信号与参阅信号的相位差。正交参阅信号的发生是通过集成锁相环完结。
1．2 锁相扩大电路中的相关器原理
锁相扩大电路中最重要的部分是相关器(PSD)部分，它是锁相扩大电路的中心，起着至关重要的效果。相关器是相关函数的物理模型，是一种完结被测信号和参阅信号互相关函数运算的电子线路，相关器又名相敏检波器。
设输入信号
上式标明，相敏检波器的输出包含两部分，前者为输入信号与参阅信号的差频重量，后者为和频重量。当被测信号与参阅信号同步时，即f1=f2时，差频重量为零，这时差频重量编程相敏直流电压重量，而和频重量为倍频。其物理含义标明信号通过相敏检波今后，信号频谱相对频率做了相对位移，即由本来以f1为中心的频谱迁移至以直流和倍频为中心的两个频谱，通过低通滤波滤除倍频重量，然后使输出变为
由于f1=f2，设θ=θ1-θ2，则最终通过低通滤波后只要直流重量能通过，其它与时刻t有关的项不能通过低通滤波，所以通过想敏检的输出信号通过低通滤波后只剩直流重量
。
2 双相位锁相扩大器的规划
依据以上理论剖析：选用集成锁相环CD4046来发生所需求的正交参阅信号和AD630作为PSD电路来规划该电路。锁相环是一种反应控制电路，其意图是消除频率差错。CD4046内部结构及引脚如图3所示，CD4046有两个相位比较器，比较器1选用异或门结构，当两个输入信号的电平状况相一起，比较器输出为低电平，比较器1输出的信号频率是信号输出频率的两倍，而且与两输入信号之间的中心频率坚持90°相移，其所输出的波形不必定对称，其要求两输入信号之间的占空比为50％，此刻确认规模最大，相位比较器2是一个上升的数字存储网络，对输入信号的占空比要求不高，答应输入非对称波形，但其具有很宽的捕捉频率规模。基于此规划U1和U2选用相位比较器1输出，使输出的波形为占空比50％，然后得到最大的确认规模，U3的输入信号相位相关于U1平移了90°，U2和U4运用相位比较器2，使信号具有很宽的频率捕捉规模。此部分的难点在于CD4046中振动电路参数的确认。
参数的确认参阅文献可知：环路参数的核算首要是确认与VCO输出频率有关的电阻R1和R2，%&&&&&%C1的值以及环路滤波参数的值，即R3和R4。由参阅文献得振动电路各参数如下
其间，10 kΩ≤R1≤1 MΩ；10 kΩ≤R2≤1 MΩ；100 pF≤C1≤0．01μF。
环路滤波参数的核算：使用参阅文献的定论可知，鉴相器灵敏度
，Vcc为供电电源。压控振动器的灵敏度
其间fr为输入信号频率，本规划选取η=1，fr=1 500 Hz，C1=0．01 μF，C2=10μF则可推出R1=R2=1 MΩ，R3=112 Ω，R4=212 Ω；整体电路如图4所示。
由CD4046发生的正交正弦信号通过PSD模块，输出两个正弦重量和余弦重量的直流信号，此信号中还含有少数的低频信号，需求通过低通滤波滤掉此类信号。低通滤波电路如图5所示。
该低通滤波电路的
，由此能够算出通带截止频率f0=32Hz。
3 测验成果剖析
针对该规划的电路，输入被测电流，得到被测电压，然后得到两者的联系，测验多组电流，测验成果如表1所示。
从测验成果能够看出：在不同的电流下，参阅频率均为1 500 Hz，确保了参阅频率的稳定性，一起该电路的灵敏度为20 mV／mA，精度为0．05％，标明该电路是一种高精度、有用的锁相扩大电路。
4 结束语
锁相扩大电路在弱小信号检测中具有较大优势，和一般沟通扩大电路不同，其不是简略的扩大，而是把与待测信号中与参阅信号同步的那些信号检测出来，得到相应的直流信号，此规划的锁相扩大电路首要用于检测周期性的电压和电流，关于非周期性的电压和电流，能够选用调制的办法将其调制成周期性信号再进行检测，此外还可用于一些气体浓度传感器中，具有必定的工业使用价值。
