研究与设计 电　子　测　量　技　术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ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（ｌｏｃｋ－ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）目前市场罕有，小型ＴＨｚ时域光谱仪（ＴＤＳ）需要此种仪器。

提出了一种ＬＩＡ设计方案，用于ＴＤＳ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，后接带通滤波器，同时斩波器输出的信号经移相与前者分别送入ＡＤ６３０的信号端和同步端。

锁相后信号经低通滤波器，送入ＡＤＣ。

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１　０００倍左右，信噪比７００ｄＢ以上，电路板面积１１ｃｍ×５．５ｃｍ，达到基本指标。

关键词：锁相放大器；ＡＤ６３０；太赫兹探测；互相关；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中图分类号：ＴＮ９１１ 文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｌｏｃｋ－ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ＴＤＳＪｉａｎｇ　Ｐｅｎｇ　Ｚｈａｏ　Ｇｕｏｚｈｏｎｇ（ＴＨｚ　Ｌａｂ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃａｐｉｔａｌ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４８）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｓｍａｌｌ　ｏｒ　ｍｉｎｉａｔｕｒｅ　ｌｏｃｋ－ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＬＩＡ）ｉｓ　ｒａｒｅ　ｏｎ　ｍａｒｋｅｔ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｓｍａｌｌ　Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（ＴＤＳ）．ＬＩＡ　ｓｃｈｅｍｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ＴＤＳ　ｔｏ　ｅｘｔｒａｃｔ　ｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏＴＨｚ　ｗａｖｅ　ｆｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｉｓ　ｔｏ　ｂｅ　ｐｒｅ－ｆｉｌｔｅｄ　ａｎｄ　ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｅｄ，ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｗｉｔｈｂａｎｄ－ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ．Ｗｈｉｌｅ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｒｏｍ　ｃｈｏｐｐｅｒ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ＡＤ６３０ ｓ　ｏｕｔｐｕｔ　ｔｅｒｍｉｎａｌｓ　ａｎｄｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｏｒｔ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ａｆｔｅｒ　ｌｏｃｋ－ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｌｏｗ－ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｔｈｅｎ　ｔｏ　ＡＤＣ．Ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｉｓｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｈｏｓｔ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｆｏｒ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ａｆｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　１０００ｔｉｍｅｓ　ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　７００ｄｂ　ＳＮＲ，ａｎｄｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｚｅ　ｉｓ　１１ｃｍｘ５．５ｃｍ，ｗｈｉｃｈ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｃｋ－ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＡＤ６３０；ＴＨｚ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ　本文于２０１２年３月收到。

０　引 言作为一种精密的测试仪器［１］，锁相放大器被广泛的用在科研领域，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（ＴＤＳ）［２］，尤其是小型ＴＤＳ系统里，更需要小型或者微型锁相放大器。

太赫兹时域光谱仪已经在各种材料的检测领域应用广泛，例如爆炸物或者毒品的检测。

但是国内目前在小型ＴＤＳ系统的发展上出现一些瓶颈，系统中需要有小型锁相放大器。

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

图１　互相关检测原理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 蒋　鹏等：ＴＤＳ用锁相放大器电路设计第４期ＴＨｚ信号，要求其动态范围宽，达到１００ｄＢ，能检测１００ｐＡ以上的信号。

最终采集的信噪比需满足６０ｄＢ以上。

电路的设计上均需考虑低噪声及电磁干扰与电磁兼容性问题。

实施方案架构图，见图２。

图２　设计模块 信号先经ＡＤ６２０放大，然后通过１．５ｋＨｚ的带通滤波器将信号送入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２４ｂｉｔＡＤＣ采集直流偏量，并将数据通过ＲＳ２３２串口送至ＰＣ，用ＬＡＢＶＩＥＷ软件进行二次滤波处理。

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节所述方案来设计。

各模块主芯片旁均加去耦电容［３］，且应用±１２Ｖ和±５Ｖ低噪声稳压电源，尽量压低噪声。

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进行放大。

此电路设计考虑ＲＦＩ干扰问题，在运放前加入防ＲＦＩ电路，在放ＲＦＩ干扰后在加入了高通滤波器，去除差分探测器的直流偏置。

ＡＤ６２０经典仪表运放［４］，噪声低、接口简单，只需一个电阻就可调整增益，其有很高共模抑制比。

到底是先滤波后放大信号，还是先放大后滤波，需要根据信号不同采取不同的策略。

由于差分探测器的信号，噪声和干扰比较大，因此就采取先滤波后放大的架构，这样能提高信号的动态范围。

因为输入的信号小至２．５ｍＶ，将此信号放大至２．５Ｖ左右，可以调整ＲＧ，使输入信号一次尽量放大到需要的程度，这也符合多级运放噪声分析理论。

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。

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１～２ｋΩ，因此本设计采用１．５ｋＨｚ双运放带通滤波器。

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。

这种电路的显著特征是Ｑ值和中心频率几乎可以独立调节［５］。

通过Ｒ１０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配，就可以降低Ｑ因数对放大器参数的敏感性。

图４所示双放大器带通滤波器在谐振点的增益为２。

运放芯片选ＯＰ２１７７低噪声双运放，同一个芯片内２个运放匹配就很好。

±１２Ｖ供电，这样能提高信号动态范围。

设计此模块时，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符，但在实际中由于元器件有误差，所以实际中的频率有些偏差，这个在焊电路之前先要测试好电阻和电容值。

第３５卷电　子　测　量　技　术图４　１．５ｋＨｚ双放大器带通滤波电路图５　Ｂｏｄｅ图中心频率处约为６ｄＢ３．４　锁相模块锁相放大模块如图６所示。

本模块采用ＡＤ６３０平衡调制解调器［７］进行设计，整个电路布局按照信号链布局。

ＡＤ６３０是硅单片集成电路，采用双极工艺研制，具有一个灵活的整流结构和激光微调薄膜电阻，准确度高、温度特性好。

具有极高的精度，非常低的通道串扰，高的共模抑制比和增益调节等优点。

此外宽通道带宽２ＭＨｚ，高转换速率４５Ｖ／μｓ，低通道串扰－１２０ｄＢ／ｋＨｚ，高闭环增益精度０．０５％，低通道失调电压１００μＶ，宽功率带宽３５０ｋＨｚ，可编程闭环增益±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ＡＤ６３０做同步鉴相器，接法简单灵活［８］。

图７是ＡＤ６３０锁相输出的信号。

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

图６　锁相放大模块蒋　鹏等：ＴＤＳ用锁相放大器电路设计第４期图７　锁相放大器输出信号３．５　低通滤波模块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ＯＰ２１７７运放，图８中ＯＰ２Ａ和ＯＰ２Ｂ合起来组成四阶贝塞尔低通滤波器。

图８中ＯＰ３Ｂ为２．５Ｖ电压跟随器，这个是为将低通滤波器输出的信号叠加到２．５Ｖ上下浮动，然后输给ＡＤＣ。

图中ＯＰ３Ａ为一个加减法器。

图８　低通滤波器 低通滤波器能将ＡＤ６３０输出的周期信号转为直流信号，当增益调到１０００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ＡＤ７１９０，２４ｂｉｔΣ－Δ型ＡＤＣ，ＳＰＩ接口，最高采样率为４．８ｋＨｚ［９］。

这个采样速度对于锁相放大器输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（ＰＧＡ），从１～１２８倍可编程增益，２路差分输入，４路单端输入，也可配置成４路伪差分输入。

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ＭＣＵ进行通信，方便以后移植。

应用ＭＳＰ４３０ｆ１４９芯片与ＡＤ７１９０进行通信，然后将ＡＤ７１９０采集到的数据通过无线串口发送至上位机。

而上位机采用ＬＡＢＶＩＥＷ［１０］进行通信和编程，进行二次滤波与数据处理。

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。

图９　移相电路　第３５卷电　子　测　量　技　术４　ＰＣＢ及低噪声设计方法ＰＣＢ设计采用双面板，选择供应的直流电源，纹波要小，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６０ｄＢ。

ＰＣＢ根据各模块分割以及信号走向布局，模拟地与数字地分开［１１］。

采用±１２Ｖ供电是为提高输入信号的动态范围。