TDS用锁相放大器电路设计

　研究与设计

　　电　子　测　量　技　术

ＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　　Ｅ　Ｔ

第３５卷第４期２０１２年４月　

ＴＤＳ用锁相放大器电路设计

蒋　鹏　赵国忠

（）首都师范大学物理系ＴＨｚ实验室　北京　１０００４８

）摘　要：小型或微型锁相放大器（目前市场罕有，小型ＴＨ需要此种仪器。提出ｌｏｃｋｉｎａｍｌｉｆｉｅｒｚ时域光谱仪（ＴＤＳ）－　ｐ了一种Ｌ用于Ｔ后接ＩＡ设计方案，ＤＳ提取与ＴＨｚ波电场强度相关的信号。将差分探测器的信号进行预滤波和放大，同时斩波器输出的信号经移相与前者分别送入Ａ带通滤波器，Ｄ６３０的信号端和同步端。锁相后信号经低通滤波器，送入Ａ信噪比７ＤＣ。ＡＤＣ采集的数据送至上位机进行二滤波处理。整个ＬＩＡ系统放大微弱信号１０００倍左右，００ｄＢ　以上，电路板面积１达到基本指标。１ｃｍ×５．５ｃｍ，

关键词：锁相放大器；太赫兹探测；互相关；ＡＤ６３０；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中图分类号：ＴＮ９１１　　文献标识码：Ａ

ＤｅｓｉｎｏｆｌｏｃｋｉｎａｍｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒＴＤＳ　　－　　　　ｇｐ

ＪｉａｎＰｅｎｈａｏＧｕｏｚｈｏｎ　Ｚ　ｇｇｇ　

（，，，）ＴＨｚＬａｂＤｅａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｓｉｃｓＣａｉｔａｌＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔＢｅｉｉｎ１０００４８　　　　　ｐｙｐｙｊｇ　

：，ＡｂｓｔｒａｃｔＡｓｍａｌｌｏｒｍｉｎｉａｔｕｒｅｌｏｃｋｉｎａｍｌｉｆｉｅｒ（ＬＩＡ）ｉｓｒａｒｅｏｎｍａｒｋｅｔｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄｆｏｒｓｍａｌｌＴｅｒａｈｅｒｔｚｔｉｍｅｄｏｍａｉｎ　　　　－　　　　　　　　　　　ｐ），，ｒｏｏｓｅｄＴＤＳ．ＬＩＡｓｃｈｅｍｅｄｅｓｉｎｉｓａｎｄｉｔｉｓｕｓｅｄｆｏｒＴＤＳｔｏｅｘｔｒａｃｔｗｅａｋｓｉｎａｌｗｈｉｃｈｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｓｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（　　　　　　　　　　　　　　　　ｐｐｇｇｐ

，ＴＨｚｗａｖｅｆｉｅｌｄｓｔｒｅｎｔｈ．Ｔｈｅｓｉｎａｌｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｅｔｅｃｔｏｒｉｓｔｏｂｅｒｅｆｉｌｔｅｄａｎｄａｍｌｉｆｉｃａｔｅｄｔｈｅｎｉｔｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｗｉｔｈ　　　　　　　　　　　－　　　　　　ｇｇｐｐａｓｓｕｔｂａｎｄｆｉｌｔｅｒ．ＷｈｉｌｅｔｏｅｔｈｅｒｗｉｔｈｔｈｅｓｉｎａｌｆｒｏｍｃｈｏｅｒａｒｅｉｎｔｏｔｈｅＡＤ６３０ ｓｏｕｔｕｔｔｅｒｍｉｎａｌｓａｎｄ－ｐ　　　　　　　　　　　　　　　ｐｇｇｐｐｐｏｒｔｕｔａｓｓｓｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌ．ＴｈｅｓｉｎａｌａｆｔｅｒｌｏｃｋｉｎａｍｌｉｆｉｅｒｉｓｉｎｔｏｌｏｗｆｉｌｔｅｒｔｈｅｎｔｏＡＤＣ．Ｔｈｅｎｉｔｉｓ　　　　　－　　　　　－ｐ　　　　　　ｐｐｙｐｙｇｐ

，ｉｎｔｏｈｏｓｔｃｏｍｕｔｅｒｆｏｒｆｉｌｔｅｒｉｎ．Ｔｈｅｓｉｎａｌａｆｔｅｒｓｓｔｅｍｈａｓ１０００ｔｉｍｅｓａｍｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｏｒｅｔｈａｎ７００ｄｂＳＮＲ，ａｎｄｕｔ　　　　　　　　　　　　　　ｐｇｇｙｐｐ

ｓｓｔｅｍｓｉｚｅｉｓ１１ｃｍｘ５．５ｃｍ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔｔｈｅｂａｓｉｃｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．　　　　　　　ｙ

：；；；ＫｅｗｏｒｄｓｌｏｃｋｉｎａｍｌｉｆｉｅｒＡＤ６３０；ＴＨｚｄｅｔｅｃｔｏｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＭｕｌｔｉｓｉｍ－　　ｐｙ

０　引　　言

作为一种精密的测试仪器

［１］

其他信号在输出端都是交流信号，要是在乘法器后加一个滤除交流分量，那么剩下的直流分量，而这个低通滤波器，

，锁相放大器被广泛的用

直流分量只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。

在科研领域，尤其是在检测微弱小信号方面。但灵活小巧，轻便的小型或微型锁相放大器市场少有，而一些便携式光谱仪则需要用到小型锁相放大器。在ＴＨｚ时域光谱仪［］２

（），尤其是小型Ｔ更需要小型或者微型ＴＤＳＤＳ系统里，锁相放大器。太赫兹时域光谱仪已经在各种材料的检测领例如爆炸物或者毒品的检测。但是国内目前域应用广泛，

在小型Ｔ系统中需要有小ＤＳ系统的发展上出现一些瓶颈，型锁相放大器。

图１　互相关检测原理

１　原　理

锁相放大器是基于互相关检测原理

（见图１）来实现从大背景噪声中提取微弱的有用信号。当输入信号与参考信号频率完全一致的信号在乘法器的输出端得到直流偏量，

２　实施方案

为实现低成本小体积的锁相放大器，采集太赫兹时域光谱仪中的差分探头产生的信号。通过核心器件ＡＤ６３０

（平衡调制解调器）做锁相放大，以提取被噪声淹没的微弱

０１２年３月收到。　本文于２

·２４·

ＴＤＳ用锁相放大器电路设计蒋鹏等：

要求其动态范围宽，达到１能检测１ＴＨｚ信号，００ｄＢ，００ｐＡ

以上的信号。最终采集的信噪比需满足６０ｄＢ以上。电路

实施方案架构图，见图２。

第４期

的设计上均需考虑低噪声及电磁干扰与

电磁兼容性问题。

图２　设计模块

然后通过１．Ｄ６２０放大，５ｋＨｚ的带通滤波　　信号先经Ａ器将信号送入ＡＤ６３０的信号输入端。同时斩波器输出的信号经移相器移相后送到ＡＤ６３０的同步端。ＡＤ６３０锁相芯片后接低通滤波器，滤除噪声，分出直流分量。用２４ｂｉｔ并将数据通过ＲＳ２３２串口送至ＰＣ，ＡＤＣ采集直流偏量，用ＬＡＢＶＩＥＷ软件进行二次滤波处理。

在运放前加入进行放大。此电路设计考虑ＲＦＩ干扰问题，在放Ｒ去除防ＲＦＩ电路，ＦＩ干扰后在加入了高通滤波器，

［］

噪声差分探测器的直流偏置。ＡＤ６２０经典仪表运放４，

低、接口简单，只需一个电阻就可调整增益，其有很高共模还是先放大后滤波，抑制比。到底是先滤波后放大信号，

需要根据信号不同采取不同的策略。由于差分探测器的噪声和干扰比较大，因此就采取先滤波后放大的架信号，

这样能提高信号的动态范围。因为输入的信号小至构，

将此信号放大至２．可以调整Ｒ使输２．５ｍＶ，５Ｖ左右，Ｇ，

这也符合多级运放噪入信号一次尽量放大到需要的程度，

声分析理论。另外第一级高增益还有个好处，ＡＤ６２０的带

宽一定，增益越高，其截至频率越低，这样间接的起了一个低通滤波器作用滤除高频噪声。前放模块如图３所示。

３　系统设计与各模块设计

３．１　总体模块

整个模块采用自顶向下分模块设计，这样方便电路分析和管理。模块的划分是按照第１节所述原理和第２节所

３］

，述方案来设计。各模块主芯片旁均加去耦电容［且应用

尽量压低噪声。±１２Ｖ和±５Ｖ低噪声稳压电源，３．２　前放模块

前级用ＢＮＣ接头将差分探测器输出的微小信号接入

图３　前放模块

３．３　１．５ｋＨｚ带通滤波器

ＴＤＳ系统上的光学斩波器斩飞秒光的频率一般设在

因此本设计采用１．１～２ｋ５ｋＨｚ双运放带通滤波器。Ω，

在高Ｑ因数和高频电路设计中，双放大器带通滤波器结构非常有用。

它的元件敏感性小，元件扩散效应低。这种电路的显

５］

。通过Ｒ１著特征是Ｑ值和中心频率几乎可以独立调节［０

就可以降低Ｑ因数对放大器参数的敏感性。图４所示配，

双放大器带通滤波器在谐振点的增益为２。运放芯片选同一个芯片内２个运放匹配就很ＯＰ２１７７低噪声双运放，

这样能提高信号动态范围。设计此模块好。±１２Ｖ供电，

［］

时，先用ＡＤＩ版本的Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１１进行仿真６。图５为此模

块波特图，中心频率为６ｄＢ。仿真结果与理论结果比较相但在实际中由于元器件有误差，所以实际中的频率有符，

些偏差，这个在焊电路之前先要测试好电阻和电容值。

调节电路的谐振频率，Ｒ１１调节电路的Ｑ因数。在这种拓

扑结构中，使用双运放结构，如果２个运算放大器比较匹

·２５·

５卷　第

３

电子测量

技术

图４　１．５ｋＨｚ双放大器带通滤波电路

３．４　锁相模块

锁相放大模块如图６所示。本模块采用ＡＤ６３０平衡

７］

调制解调器［进行设计，整个电路布局按照信号链布局。采用双极工艺研制，具有一个ＡＤ６３０是硅单片集成电路，

准确度高、温度特灵活的整流结构和激光微调薄膜电阻，

性好。具有极高的精度，非常低的通道串扰，高的共模抑，高转换制比和增益调节等优点。此外宽通道带宽２ＭＨｚ／，／，速率４低通道串扰－１高闭环增益精度５Ｖｓ２０ｄＢｋＨｚμ，低通道失调电压１宽功率带宽３可０．０５％，００μＶ，５０ｋＨｚ

编程闭环增益±１和±２。能从１００ｄＢ噪音中恢复信号，也用于同步检测、相位检测、二次检测、相敏检测、锁定放大以及二次波相乘。使用Ａ接法简单Ｄ６３０做同步鉴相器，

８］

。图７是Ａ灵活［Ｄ６３

０锁相输出的信号。参考信号与输

图５　Ｂｏｄｅ图中心频率处约为６ｄＢ

，所以看到如图７所示的锁相放大入信号的相位相差１８０°输出的信号噪声比较小。

图６　锁相放大模块

·２６·

ＴＤＳ用锁相放大器电路设计蒋

鹏等：

３．５　低通滤波模块

第４期

此模块采用四阶贝塞尔低通滤波器其通带内平坦且相位变化小。此模块运放均使用Ｏ图８中Ｐ２１７７运放，

ＯＰ２Ａ和ＯＰ２Ｂ合起来组成四阶贝塞尔低通滤波器。图８中Ｏ这个是为将低通滤波器输Ｐ３Ｂ为２．５Ｖ电压跟随器，出的信号叠加到２．然后输

给Ａ５Ｖ上下浮动，ＤＣ。图中ＯＰ３Ａ为一个加减法器。

图７　锁相放大器输出信号

图８　低通滤波器

Ｄ６３０输出的周期信号转为直流信　　低通滤波器能将Ａ

当增益调到１号，０００时系统约能将峰值为２．５ｍＶ的正弦波信号，放大到约２．５Ｖ。３．６　ＡＤ数据采集模块

，此模块选择Ａ最Ｄ７１９０２４ｂｉｔΣＤＣ，ＳＰＩ接口，－Δ型Ａ

［］

高采样率为４．８ｋＨｚ９。这个采样速度对于锁相放大器输

相电路只能对单频正弦信号或余弦信号进行移相，而对方波有微分或积分功能。因此本文所述移相电

路不能对方波进行移相，但对特定频率的正弦波具有移相功能，如图９所示。

出的信号来说是足够的，而高的位数对于提高信号的动态范围非常有用。ＡＤＣ采集到的信号通过ＲＳ２３２发送至上位机做二次滤波处理。另外此ＡＤＣ具有可编程增益功能（，从１～１ＰＧＡ）２８倍可编程增益，２路差分输入，４路单端

也可配置成４路伪差分输入。输入，

文章所述的设计方案是将ＡＤ７１９０的ＳＰＩ控制端单独引出，方便与不同的ＭＣ方便以后移植。应用Ｕ进行通信，

然后将ＡＭＳＰ４３０ｆ１４９芯片与ＡＤ７１９０进行通信，Ｄ７１９０采集到的数据通过无线串口发送至上位机。而上位机采用

［０］

进行通信和编程，进行二次滤波与数据处理。ＬＡＢＶＩＥＷ１

３．７　移相电路

此模块将斩波器输出的参考信号移相，使参考信号与输入信号至同频同相。运放采用ＯＰ２１７７采用普通ＲＣ移

图９　移相电路

·２７·

５卷　第３

电子测量技术

［］］钟云鹏．便携式心电信号采集电路设计［国４Ｊ．　陈昕，

（）：外电子测量技术，２０１０，２９１２６３．

［］运算放大器应用技术手册［张乐峰，张５ＬＴＪ．Ｍ］．　ＷＡ　

鼎译．北京：人民邮电出版社，２０１０：２６８２７５．－

［］苏祖全．基于Ｍ６ｕｌｔｉｓｉｍ１０的电子电路设计与　邓友娥，

］（）：应用［韶关学院学报，Ｊ．２００９，３０１２３８．

［］陈宝明．基于Ａ７Ｄ６３０实现蓄电池内阻在线测量　郭亮，

［］（）：现代电子技术，Ｊ．２０１１，３４１１２９１３０．－

［］卢启鹏，朴仁官．基于锁相放大的近红外光谱信８　徐晗，

号提取电路研究［微计算机信息（嵌入式与Ｊ］．，（）：ＳＯＣ）２００９，２５８２．

［］新型Σ９　丛秋波．－Δ模数转换器实现高速率和超低噪

］电子设计技术，声［Ｊ．２００８，９：１７．

［］朱灵．基于Ｌ１０ＡＢＶＩＥＷ的光线傅里叶变换光　陈明星，

仪器仪表学报，谱仪数据处理技术［Ｊ］．２０１０，３１（）：３４８８．

［］电磁兼容设计如何融入电子产品的设计流程１１　郭远东．

［］（）：电子产品可靠性与环境试验，Ｊ．２０１１，２９６５９．

作者简介

４　ＰＣＢ及低噪声设计方法

选择供应的直流电源，纹波要ＰＣＢ设计采用双面板，小，这样信噪比才能提上去。所述设计采用改进的±１２Ｖ与±５Ｖ直流稳压电源进行供电。使其输出信号逼近模拟地与６０ｄＢ。ＰＣＢ根据各模块分割以及信号走向布局，

［］１

。采用±１数字地分开１２Ｖ供电是为提高输入信号的动态范围。将Ａ是为后面结合不同的ＤＣ与ＭＣＵ分开设计，

ＭＣＵ进行数据采集而考虑。系统总体体积约为１１ｃｍ×有效地减小了系统体积，适合嵌入至系统５．５ｃｍ大小，之中。

５　结　　论

本文所述方案，通过仪表运放，带通滤波器，移相器，平衡调制解调芯片，低通滤波器等巧妙的组合实现小型锁相放大器功能，且成本低，信噪比达６达到基本指标。０ｄＢ，通过高分辨率的ＡＤＣ提高系统动态范围。器件选型集中方便供货。实用Ｐ能于一个公司，Ｃ机软件进行二次滤波，进一步提高信噪比。在器件选型以及ＰＣＢ布局中均应考虑噪声耦合及压低噪声的措施。

参考文献

［］］陈佳圭．锁相放大器的新进展［物理，１Ｊ．　孙志斌，

（）：２００６，３５１０８７９．

［］］行鸿彦．太赫兹光谱技术的应用进展［电２Ｊ．　卜凡亮，

（）：子测量与仪器学报，２００９，２３４５６５９．－

［］］抑止电磁辐射干扰的设计［电子测量技３Ｊ．　吴冬燕．

（）：术，２０１０，３３１０１４．

蒋鹏，在读硕士研究生，主要研究方向为１９８６年出生，ＴＨｚ测控系统。

：＿Ｅ－ｍａｉｌｆｒｉｅｎｄｂｉｒｄ６３．ｃｏｍ＠１

赵国忠，教授，研究生导师，主要研究领１９６４年出生，域太赫兹光谱技术及其应用，虚拟仪器技术以及光电信息功能材料。

：Ｅ－ｍａｉｌｕｏｚｈｏｎｚｈａｏｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ－＠ｃｇｇ

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　研究与设计

　　电　子　测　量　技　术

ＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　　Ｅ　Ｔ

第３５卷第４期２０１２年４月　

ＴＤＳ用锁相放大器电路设计

蒋　鹏　赵国忠

（）首都师范大学物理系ＴＨｚ实验室　北京　１０００４８

）摘　要：小型或微型锁相放大器（目前市场罕有，小型ＴＨ需要此种仪器。提出ｌｏｃｋｉｎａｍｌｉｆｉｅｒｚ时域光谱仪（ＴＤＳ）－　ｐ了一种Ｌ用于Ｔ后接ＩＡ设计方案，ＤＳ提取与ＴＨｚ波电场强度相关的信号。将差分探测器的信号进行预滤波和放大，同时斩波器输出的信号经移相与前者分别送入Ａ带通滤波器，Ｄ６３０的信号端和同步端。锁相后信号经低通滤波器，送入Ａ信噪比７ＤＣ。ＡＤＣ采集的数据送至上位机进行二滤波处理。整个ＬＩＡ系统放大微弱信号１０００倍左右，００ｄＢ　以上，电路板面积１达到基本指标。１ｃｍ×５．５ｃｍ，

关键词：锁相放大器；太赫兹探测；互相关；ＡＤ６３０；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中图分类号：ＴＮ９１１　　文献标识码：Ａ

ＤｅｓｉｎｏｆｌｏｃｋｉｎａｍｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒＴＤＳ　　－　　　　ｇｐ

ＪｉａｎＰｅｎｈａｏＧｕｏｚｈｏｎ　Ｚ　ｇｇｇ　

（，，，）ＴＨｚＬａｂＤｅａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｓｉｃｓＣａｉｔａｌＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔＢｅｉｉｎ１０００４８　　　　　ｐｙｐｙｊｇ　

：，ＡｂｓｔｒａｃｔＡｓｍａｌｌｏｒｍｉｎｉａｔｕｒｅｌｏｃｋｉｎａｍｌｉｆｉｅｒ（ＬＩＡ）ｉｓｒａｒｅｏｎｍａｒｋｅｔｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄｆｏｒｓｍａｌｌＴｅｒａｈｅｒｔｚｔｉｍｅｄｏｍａｉｎ　　　　－　　　　　　　　　　　ｐ），，ｒｏｏｓｅｄＴＤＳ．ＬＩＡｓｃｈｅｍｅｄｅｓｉｎｉｓａｎｄｉｔｉｓｕｓｅｄｆｏｒＴＤＳｔｏｅｘｔｒａｃｔｗｅａｋｓｉｎａｌｗｈｉｃｈｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｓｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（　　　　　　　　　　　　　　　　ｐｐｇｇｐ

，ＴＨｚｗａｖｅｆｉｅｌｄｓｔｒｅｎｔｈ．Ｔｈｅｓｉｎａｌｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｅｔｅｃｔｏｒｉｓｔｏｂｅｒｅｆｉｌｔｅｄａｎｄａｍｌｉｆｉｃａｔｅｄｔｈｅｎｉｔｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｗｉｔｈ　　　　　　　　　　　－　　　　　　ｇｇｐｐａｓｓｕｔｂａｎｄｆｉｌｔｅｒ．ＷｈｉｌｅｔｏｅｔｈｅｒｗｉｔｈｔｈｅｓｉｎａｌｆｒｏｍｃｈｏｅｒａｒｅｉｎｔｏｔｈｅＡＤ６３０ ｓｏｕｔｕｔｔｅｒｍｉｎａｌｓａｎｄ－ｐ　　　　　　　　　　　　　　　ｐｇｇｐｐｐｏｒｔｕｔａｓｓｓｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌ．ＴｈｅｓｉｎａｌａｆｔｅｒｌｏｃｋｉｎａｍｌｉｆｉｅｒｉｓｉｎｔｏｌｏｗｆｉｌｔｅｒｔｈｅｎｔｏＡＤＣ．Ｔｈｅｎｉｔｉｓ　　　　　－　　　　　－ｐ　　　　　　ｐｐｙｐｙｇｐ

，ｉｎｔｏｈｏｓｔｃｏｍｕｔｅｒｆｏｒｆｉｌｔｅｒｉｎ．Ｔｈｅｓｉｎａｌａｆｔｅｒｓｓｔｅｍｈａｓ１０００ｔｉｍｅｓａｍｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｏｒｅｔｈａｎ７００ｄｂＳＮＲ，ａｎｄｕｔ　　　　　　　　　　　　　　ｐｇｇｙｐｐ

ｓｓｔｅｍｓｉｚｅｉｓ１１ｃｍｘ５．５ｃｍ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔｔｈｅｂａｓｉｃｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．　　　　　　　ｙ

：；；；ＫｅｗｏｒｄｓｌｏｃｋｉｎａｍｌｉｆｉｅｒＡＤ６３０；ＴＨｚｄｅｔｅｃｔｏｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＭｕｌｔｉｓｉｍ－　　ｐｙ

０　引　　言

作为一种精密的测试仪器

［１］

其他信号在输出端都是交流信号，要是在乘法器后加一个滤除交流分量，那么剩下的直流分量，而这个低通滤波器，

，锁相放大器被广泛的用

直流分量只是正比于输入信号中的特定频率的信号分量的幅值。

在科研领域，尤其是在检测微弱小信号方面。但灵活小巧，轻便的小型或微型锁相放大器市场少有，而一些便携式光谱仪则需要用到小型锁相放大器。在ＴＨｚ时域光谱仪［］２

（），尤其是小型Ｔ更需要小型或者微型ＴＤＳＤＳ系统里，锁相放大器。太赫兹时域光谱仪已经在各种材料的检测领例如爆炸物或者毒品的检测。但是国内目前域应用广泛，

在小型Ｔ系统中需要有小ＤＳ系统的发展上出现一些瓶颈，型锁相放大器。

图１　互相关检测原理

１　原　理

锁相放大器是基于互相关检测原理

（见图１）来实现从大背景噪声中提取微弱的有用信号。当输入信号与参考信号频率完全一致的信号在乘法器的输出端得到直流偏量，

２　实施方案

为实现低成本小体积的锁相放大器，采集太赫兹时域光谱仪中的差分探头产生的信号。通过核心器件ＡＤ６３０

（平衡调制解调器）做锁相放大，以提取被噪声淹没的微弱

０１２年３月收到。　本文于２

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ＴＤＳ用锁相放大器电路设计蒋鹏等：

要求其动态范围宽，达到１能检测１ＴＨｚ信号，００ｄＢ，００ｐＡ

以上的信号。最终采集的信噪比需满足６０ｄＢ以上。电路

实施方案架构图，见图２。

第４期

的设计上均需考虑低噪声及电磁干扰与

电磁兼容性问题。

图２　设计模块

然后通过１．Ｄ６２０放大，５ｋＨｚ的带通滤波　　信号先经Ａ器将信号送入ＡＤ６３０的信号输入端。同时斩波器输出的信号经移相器移相后送到ＡＤ６３０的同步端。ＡＤ６３０锁相芯片后接低通滤波器，滤除噪声，分出直流分量。用２４ｂｉｔ并将数据通过ＲＳ２３２串口送至ＰＣ，ＡＤＣ采集直流偏量，用ＬＡＢＶＩＥＷ软件进行二次滤波处理。

在运放前加入进行放大。此电路设计考虑ＲＦＩ干扰问题，在放Ｒ去除防ＲＦＩ电路，ＦＩ干扰后在加入了高通滤波器，

［］

噪声差分探测器的直流偏置。ＡＤ６２０经典仪表运放４，

低、接口简单，只需一个电阻就可调整增益，其有很高共模还是先放大后滤波，抑制比。到底是先滤波后放大信号，

需要根据信号不同采取不同的策略。由于差分探测器的噪声和干扰比较大，因此就采取先滤波后放大的架信号，

这样能提高信号的动态范围。因为输入的信号小至构，

将此信号放大至２．可以调整Ｒ使输２．５ｍＶ，５Ｖ左右，Ｇ，

这也符合多级运放噪入信号一次尽量放大到需要的程度，

声分析理论。另外第一级高增益还有个好处，ＡＤ６２０的带

宽一定，增益越高，其截至频率越低，这样间接的起了一个低通滤波器作用滤除高频噪声。前放模块如图３所示。

３　系统设计与各模块设计

３．１　总体模块

整个模块采用自顶向下分模块设计，这样方便电路分析和管理。模块的划分是按照第１节所述原理和第２节所

３］

，述方案来设计。各模块主芯片旁均加去耦电容［且应用

尽量压低噪声。±１２Ｖ和±５Ｖ低噪声稳压电源，３．２　前放模块

前级用ＢＮＣ接头将差分探测器输出的微小信号接入

图３　前放模块

３．３　１．５ｋＨｚ带通滤波器

ＴＤＳ系统上的光学斩波器斩飞秒光的频率一般设在

因此本设计采用１．１～２ｋ５ｋＨｚ双运放带通滤波器。Ω，

在高Ｑ因数和高频电路设计中，双放大器带通滤波器结构非常有用。

它的元件敏感性小，元件扩散效应低。这种电路的显

５］

。通过Ｒ１著特征是Ｑ值和中心频率几乎可以独立调节［０

就可以降低Ｑ因数对放大器参数的敏感性。图４所示配，

双放大器带通滤波器在谐振点的增益为２。运放芯片选同一个芯片内２个运放匹配就很ＯＰ２１７７低噪声双运放，

这样能提高信号动态范围。设计此模块好。±１２Ｖ供电，

［］

时，先用ＡＤＩ版本的Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１１进行仿真６。图５为此模

块波特图，中心频率为６ｄＢ。仿真结果与理论结果比较相但在实际中由于元器件有误差，所以实际中的频率有符，

些偏差，这个在焊电路之前先要测试好电阻和电容值。

调节电路的谐振频率，Ｒ１１调节电路的Ｑ因数。在这种拓

扑结构中，使用双运放结构，如果２个运算放大器比较匹

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５卷　第

３

电子测量

技术

图４　１．５ｋＨｚ双放大器带通滤波电路

３．４　锁相模块

锁相放大模块如图６所示。本模块采用ＡＤ６３０平衡

７］

调制解调器［进行设计，整个电路布局按照信号链布局。采用双极工艺研制，具有一个ＡＤ６３０是硅单片集成电路，

准确度高、温度特灵活的整流结构和激光微调薄膜电阻，

性好。具有极高的精度，非常低的通道串扰，高的共模抑，高转换制比和增益调节等优点。此外宽通道带宽２ＭＨｚ／，／，速率４低通道串扰－１高闭环增益精度５Ｖｓ２０ｄＢｋＨｚμ，低通道失调电压１宽功率带宽３可０．０５％，００μＶ，５０ｋＨｚ

编程闭环增益±１和±２。能从１００ｄＢ噪音中恢复信号，也用于同步检测、相位检测、二次检测、相敏检测、锁定放大以及二次波相乘。使用Ａ接法简单Ｄ６３０做同步鉴相器，

８］

。图７是Ａ灵活［Ｄ６３

０锁相输出的信号。参考信号与输

图５　Ｂｏｄｅ图中心频率处约为６ｄＢ

，所以看到如图７所示的锁相放大入信号的相位相差１８０°输出的信号噪声比较小。

图６　锁相放大模块

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ＴＤＳ用锁相放大器电路设计蒋

鹏等：

３．５　低通滤波模块

第４期

此模块采用四阶贝塞尔低通滤波器其通带内平坦且相位变化小。此模块运放均使用Ｏ图８中Ｐ２１７７运放，

ＯＰ２Ａ和ＯＰ２Ｂ合起来组成四阶贝塞尔低通滤波器。图８中Ｏ这个是为将低通滤波器输Ｐ３Ｂ为２．５Ｖ电压跟随器，出的信号叠加到２．然后输

给Ａ５Ｖ上下浮动，ＤＣ。图中ＯＰ３Ａ为一个加减法器。

图７　锁相放大器输出信号

图８　低通滤波器

Ｄ６３０输出的周期信号转为直流信　　低通滤波器能将Ａ

当增益调到１号，０００时系统约能将峰值为２．５ｍＶ的正弦波信号，放大到约２．５Ｖ。３．６　ＡＤ数据采集模块

，此模块选择Ａ最Ｄ７１９０２４ｂｉｔΣＤＣ，ＳＰＩ接口，－Δ型Ａ

［］

高采样率为４．８ｋＨｚ９。这个采样速度对于锁相放大器输

相电路只能对单频正弦信号或余弦信号进行移相，而对方波有微分或积分功能。因此本文所述移相电

路不能对方波进行移相，但对特定频率的正弦波具有移相功能，如图９所示。

出的信号来说是足够的，而高的位数对于提高信号的动态范围非常有用。ＡＤＣ采集到的信号通过ＲＳ２３２发送至上位机做二次滤波处理。另外此ＡＤＣ具有可编程增益功能（，从１～１ＰＧＡ）２８倍可编程增益，２路差分输入，４路单端

也可配置成４路伪差分输入。输入，

文章所述的设计方案是将ＡＤ７１９０的ＳＰＩ控制端单独引出，方便与不同的ＭＣ方便以后移植。应用Ｕ进行通信，

然后将ＡＭＳＰ４３０ｆ１４９芯片与ＡＤ７１９０进行通信，Ｄ７１９０采集到的数据通过无线串口发送至上位机。而上位机采用

［０］

进行通信和编程，进行二次滤波与数据处理。ＬＡＢＶＩＥＷ１

３．７　移相电路

此模块将斩波器输出的参考信号移相，使参考信号与输入信号至同频同相。运放采用ＯＰ２１７７采用普通ＲＣ移

图９　移相电路

·２７·

５卷　第３

电子测量技术

［］］钟云鹏．便携式心电信号采集电路设计［国４Ｊ．　陈昕，

（）：外电子测量技术，２０１０，２９１２６３．

［］运算放大器应用技术手册［张乐峰，张５ＬＴＪ．Ｍ］．　ＷＡ　

鼎译．北京：人民邮电出版社，２０１０：２６８２７５．－

［］苏祖全．基于Ｍ６ｕｌｔｉｓｉｍ１０的电子电路设计与　邓友娥，

］（）：应用［韶关学院学报，Ｊ．２００９，３０１２３８．

［］陈宝明．基于Ａ７Ｄ６３０实现蓄电池内阻在线测量　郭亮，

［］（）：现代电子技术，Ｊ．２０１１，３４１１２９１３０．－

［］卢启鹏，朴仁官．基于锁相放大的近红外光谱信８　徐晗，

号提取电路研究［微计算机信息（嵌入式与Ｊ］．，（）：ＳＯＣ）２００９，２５８２．

［］新型Σ９　丛秋波．－Δ模数转换器实现高速率和超低噪

］电子设计技术，声［Ｊ．２００８，９：１７．

［］朱灵．基于Ｌ１０ＡＢＶＩＥＷ的光线傅里叶变换光　陈明星，

仪器仪表学报，谱仪数据处理技术［Ｊ］．２０１０，３１（）：３４８８．

［］电磁兼容设计如何融入电子产品的设计流程１１　郭远东．

［］（）：电子产品可靠性与环境试验，Ｊ．２０１１，２９６５９．

作者简介

４　ＰＣＢ及低噪声设计方法

选择供应的直流电源，纹波要ＰＣＢ设计采用双面板，小，这样信噪比才能提上去。所述设计采用改进的±１２Ｖ与±５Ｖ直流稳压电源进行供电。使其输出信号逼近模拟地与６０ｄＢ。ＰＣＢ根据各模块分割以及信号走向布局，

［］１

。采用±１数字地分开１２Ｖ供电是为提高输入信号的动态范围。将Ａ是为后面结合不同的ＤＣ与ＭＣＵ分开设计，

ＭＣＵ进行数据采集而考虑。系统总体体积约为１１ｃｍ×有效地减小了系统体积，适合嵌入至系统５．５ｃｍ大小，之中。

５　结　　论

本文所述方案，通过仪表运放，带通滤波器，移相器，平衡调制解调芯片，低通滤波器等巧妙的组合实现小型锁相放大器功能，且成本低，信噪比达６达到基本指标。０ｄＢ，通过高分辨率的ＡＤＣ提高系统动态范围。器件选型集中方便供货。实用Ｐ能于一个公司，Ｃ机软件进行二次滤波，进一步提高信噪比。在器件选型以及ＰＣＢ布局中均应考虑噪声耦合及压低噪声的措施。

参考文献

［］］陈佳圭．锁相放大器的新进展［物理，１Ｊ．　孙志斌，

（）：２００６，３５１０８７９．

［］］行鸿彦．太赫兹光谱技术的应用进展［电２Ｊ．　卜凡亮，

（）：子测量与仪器学报，２００９，２３４５６５９．－

［］］抑止电磁辐射干扰的设计［电子测量技３Ｊ．　吴冬燕．

（）：术，２０１０，３３１０１４．

蒋鹏，在读硕士研究生，主要研究方向为１９８６年出生，ＴＨｚ测控系统。

：＿Ｅ－ｍａｉｌｆｒｉｅｎｄｂｉｒｄ６３．ｃｏｍ＠１

赵国忠，教授，研究生导师，主要研究领１９６４年出生，域太赫兹光谱技术及其应用，虚拟仪器技术以及光电信息功能材料。

：Ｅ－ｍａｉｌｕｏｚｈｏｎｚｈａｏｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ－＠ｃｇｇ

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