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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文
基于 AD630 的锁相放大器的设计与分析 摘 要
本文针对传统放大器信噪分离能力弱，无法检测微弱信号这一现状，设计 了一个基于 AD630 的锁相放大器。系统以开关式相关器为锁相放大器的核心部 分进行设计，具有电路简单、运行速度快、线性度高、动态范围大、抗过载能 力强等优点。 本文设计的锁相放大器硬件主要包括信号通道模块、参考通道模块、相关 器模块、电源模块、电压检测模块、显示模块等部分。信号通道模块的输入级 通过并联多个放大器的方式有效降低了噪声，通过跟踪带通滤波电路提高了信 噪比；参考通道模块包含参考电压放大器、锁相环电路和相移器电路三个部分， 可以将输入信号放大 10~10000 倍；相关器模块是锁相放大器的核心部分，采用 高信噪比的 AD630 芯片进行电路设计，包括相敏检波电路（PSD）和低通滤波 电路；电源模块由集成三端稳压器构成，通过模拟电源和数字电源隔离的方式 有效降低了电源纹波；电压检测模块通过电阻分压的方式提高了可检测范围； 显示模块为数字电压表 ZF5135-DC2V，直观显示被检测信号。 本文利用 Altium Designer 软件绘制 PCB 板对电路进行了测试， 结果表明系 统能够准确检测到 μV 级别的信号，并且信噪比较高。相位差在 0~360° 范围内 连续调节时，能够将较微弱的信号从噪声的背景中提取出来并进行放大。同时 该系统各级电路之间采用直接耦合的方式，对于频率较低的信号，仍然能进行 锁相放大。 设计中对锁相放大器理想和非理想模型进行了仿真对比，结果表明在未掺 杂噪声时，信号通道将输入信号放大 10 倍，相位改变 180° 。最后根据行为级建 模和电路实物焊接两种方法进一步分析验证了锁相放大器的工作机理。 关键词 锁相放大器；PSD；噪声；AD630
本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于 AD630 的锁相放大 器的设计与分析》 ，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。 对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 刘芳芳 日期： 2016 年 3 月 29 日
工学硕士学位论文
基于AD630 的锁相放大器的设计与分析
刘芳芳
哈尔滨理工大学
2016 年 3 月
万方数据
国内图书分类号： TN433
工学硕士学位论文
基于 AD630 的锁相放大器的设计与分析
硕 士 研 究 生： 刘芳芳 导 师： 宋明歆副教授
申请学位级别： 工学硕士 学 科 、 专 业： 集成电路工程 所 在 单 位： 应用科学学院 答 辩 日 期： 2016 年 3 月 授予学位单位： 哈尔滨理工大学
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In the design, the ideal and non ideal models of the phase lock amplifier are simulated and compared. The results show that when the signal is not doped, the input signal is amplified by 10 times, and the phase is changed to 180° . Finally, based on the two methods of behavior modeling and circuit physical welding, the work mechanism of the phase lock amplifier is verified further.
Keywords phase lock amplifier, PSD, noise, AD630
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目
录
摘 要 ........................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................II 第 1 章 绪 论 .............................................................................................................. 1 1.1 锁相放大器研究目的与意义 ........................................................................... 1 1.2 锁相放大器分类 ............................................................................................... 2 1.3 锁相放大器国内外研究现状 ........................................................................... 4 1.3.1 锁相放大器国外发展现状 ........................................................................ 4 1.3.2 锁相放大器国内发展现状 ........................................................................ 6 1.4 论文的主要工作 ............................................................................................... 7 第 2 章 锁相放大器工作原理及整体设计 ................................................................ 9 2.1 锁相放大器的基本原理 ................................................................................... 9 2.1.1 AD630 芯片介绍 ........................................................................................ 9 2.1.2 调制解调原理 ............................................................................................ 9 2.2 锁相放大器的结构框图 ................................................................................. 12 2.3 本章小结 ......................................................................................................... 14 第 3 章 锁相放大器各模块设计 .............................................................................. 15 3.1 信号通道模块 ................................................................................................. 15 3.1.1 低噪声前置放大器电路设计 .................................................................. 15 3.1.2 跟踪带通滤波器电路设 .......................................................................... 17 3.2 参考通道模块 ................................................................................................. 20 3.2.1 参考通道放大器的设计 .......................................................................... 20 3.2.2 锁相环电路设计 ...................................................................................... 21 3.2.3 相移器电路设计 ...................................................................................... 23 3.3 相关器模块 ..................................................................................................... 24 3.3.1 相敏检波器电路设计 .............................................................................. 24 3.3.2 低通滤波器的电路设计 .......................................................................... 26 3.4 其他模块设计 ................................................................................................. 27 3.4.1 供电电源设计 .......................................................................................... 27 3.4.2 电压检测与显示 ...................................................................................... 28 3.5 本章小结 ......................................................................................................... 28 第 4 章 锁相放大器各电路实验结果与分析 .......................................................... 29 4.1 前置放大器仿真结果与分析 ......................................................................... 29 4.2 跟踪带通滤波器制作与测试 ......................................................................... 33 4.3 参考通道放大器与锁相环的实验结果与分析 ............................................. 34