锁定放大器的设计分析(赵茂泰2015)

2014年TI杯电赛赛题分析锁定放大器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 （C题）2015.7.15武汉大学赵茂泰分析角度：命题意图及考点测试方法与实际测评结果内容：题意及考察点分析锁定放大器设计要点实际测评结果分析任务：设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器微弱信号：是指信噪比较差的信号（微弱相对噪声而言）。锁定放大器：能提取深埋在噪声中微弱信号的特种放大器。（允许信噪比可低达10-5，但要求被测信号与参考信号同频）一，题意及考察点分析核心问题：相关检测（相敏检波器及低通滤波器）交流放大器相敏检波器直流放大器低通滤波器带通滤波器触发整形移相器方波驱动参考输出r(t)信号x(t)信号通道参考通道S(t)显示R(t)只有与参考信号同频的被测信号才会转换成直流信号；噪声与被测信号同频又同相的概率很小，因而能滤出噪声；不仅对相位θ敏感，对VS和Vr也敏感。既能鉴相，又能鉴幅相敏检波器分析设，x(t)和r(t)均为正弦波x(t)=Vscos(0t+q)r(t)=Vrcos(w0t)则，相敏检测器输出：up(t)=x(t)·r(t)=Vscos(w0t+q)·Vrcos(w0t)=0.5VsVrcos(q)+0.5VsVrcos(2w0t+q)低通滤波器输出为：0.5VsVrcos(q)，与VsVrθ三者成正比up(t)uo(t)相敏检波器——模拟乘法器锁定放大器的应用广泛，并作为一种“电子仪器”经常出现在一些专业实验室中。应用举例：测量LED光源发光强度分布状态（方向特性）考察点1：考察学生运算放大器的应用能力。涵盖滤波器、移相器、加法器、整形器、交流放大器、直流放大器等（约35分）交流放大器相敏检波器直流放大器低通滤波器带通滤波器触发整形移相器方波驱动参考输出r(t)信号x(t)信号通道参考通道S(t)显示R(t)（2）参考通道的输出r(t)为方波信号，r(t)的相位相对参考信号R(t)可连续或步进移相180度，步进间距小于10度。（3）信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。误差小于20%。（4）设计一个能测量被测信号S(t)幅度有效值的测量 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 。误差小于10%。（5）在S(t)输入端增加一个加法器电路，实现S(t)与干扰信号n(t)的叠加。一，题意及考察点分析考察点2：考察学生能否在现有模电知识的基础上，快速掌握微弱信号检测原理的能力。（同时强调理论的重要性）。应该认真研读《微弱信号检测》（高晋占）一书相关章节；只有在理论的指导下进行设计，才能出现高水平的作品。许多制作优良的作品，因对相关检测技术与理论理解不准确，使作品未能达到预定要求。考点3：运用所学知识灵活处理具体专业问题的能力例如，在信号幅度动态范围的处理，衰减器衰减系数的确定，以及交流放大器等的设计中，一些作品仅因为一些细节问题处理不当，影响整个作品未能达标。一，题意及考察点分析二，锁定放大器设计要点1，相敏检波器的设计2，低通滤波器的设计3，衰减器衰减系数的确定4，交流放大器的设计相敏检波器方式及器件的选择：模拟乘法器式相敏检波器：例，AD630等开关式相敏检波器：例，CD4053（采用者最多）OPA690(具有关断功能运放)IRF3205(MOS管)开关式相敏检波器功能相当于参考信号幅度为±1方波时的模拟乘法器式相敏检波器。由于，①输出信号幅度不受参考信号幅度不稳的影响；②克服模拟乘法器非线性失真的问题，因而检测精度较高，且电路简单，应是本题首选 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。本题对精度要求不高，以上两种方案都能满足要求。二，锁定放大器设计要点1，相敏检波器的设计开关式相敏检波器分析x(t)为正弦：x(t)=Vscos(w0t+q)r(t)为方波：相敏检测器输出：低通滤波器输出：与VsVrθ三者成正比开关式相敏检波器的应用①令VS、Vr值固定，鉴相。检测两个被测信号之间的相位差θ②令θ、Vr值固定，鉴幅。即检测与参考信号同频，θ值固定时，被测信号幅度VS的大小。显然，锁定放大器中相敏检波器属于第二种类型的应用。相敏检波器输出：开关式相敏检波器分析锁定放大器中相敏检波器的设计要点：①要求参考信号与被测信号同频，且Vr值稳定并尽量大；②要求相位差θ值固定，且cosθ值尽量大相敏检波器参考信号相位θ的选择：为了使相敏检波器输出尽量大，应该固定θ=0o（cos0o=1）。相敏检波器参考信号相位θ的选择：θ值固定；为使检波器输出尽量大，应该取θ=0o（cos0o=1）约有10～20%的参赛队采取了自动移相检测方案：每次测量都让移相电路进行0o～180o的扫描，且每步进移相一步就进行一次测量，最后取最大的输出值为测量结果。问题：①测量一个数据约需1～3分钟的时间，这是不允许的；②简单问题复杂化，流程复杂，故障率高。③由于步进移相值一般为10o，误差较大，一致性也较差。该方案作品难度较大，据考察，这些参赛队的“设计与制作基础”一般较高。但由于理解存在问题，作品很难达到要求。存在一个不好的倾向，当遇到一个新概念时，…（或碰运气或不靠谱）二，锁定放大器设计要点2，低通滤波器的设计（1）输入信号S(t)的频率为1000Hz，幅度10μV～1mV。（2）另一信号源产生一个频率为1050～2100Hz的正弦信号作为n(t)，然后通过加法器电路实现S(t)与n(t)的1：1或1：10的叠加，并加在放大器的输入端。题目相关要求（简写）up(t)uo(t)确定截止频率与阶数；滤波器电路的设计（略）设：x(t)为正弦波含单频噪声（单频噪声频率范围为1050Hz～2100Hz），r(t)为正弦波（只取方波的基频，以简化分析）x(t)=Vscos(0t+θ)+Vncos(nt+a)r(t)=Vrcos0t=cos0tup(t)=x(t)·r(t)=0.5VsVrcosθ+VsVrcos(20t+θ)+0.5Vncos[(n+0)t+a]+0.5Vncos[(n-0)t+a]共存在三组交流分量，其频率分别为：20的频率为2×1000Hz=2000Hn+0的频率为（1050Hz～2100Hz）+1000Hz=2050Hz～3100Hzn-0的频率为（1050Hz～2100Hz）-1000Hz=50Hz～1100Hz二，锁定放大器设计要点2，低通滤波器的设计up(t)uo(t)确定截止频率与阶数；存在三组交流分量：2000H；2050Hz～3100Hz；50Hz～1100Hz重点考虑频率为50Hz的谐波信号的滤除！！！一阶低通滤波器特性：-20dB/十倍频；二阶低通滤波器特性：-40dB/十倍频；三阶低通滤波器特性：-60dB/十倍频；设计一个截止频率小于5Hz，二阶以上的低通滤波器，足以满足测量误差小于10%的题目要求二，锁定放大器设计要点2，低通滤波器的设计确定截止频率与阶数；在测试作品及评阅报告中，发现大部分参赛队缺乏对低通滤波器的具体分析！（1）输入信号S(t)的频率为1000Hz，幅度为10μV～1mV（有效值）。由于常规仪器难以提供（和测量）μV级信号，需要通过适合加大信号源输出幅度，然后通过电阻分压的方法获得小幅度信号。分压比需要自定。（2）另一信号源产生一个1050～2100Hz的正弦波信号作为n(t)，然后通过加法器电路实现S(t)与n(t)的1:1叠加，并加在输入端。要求放大器对S(t)信号的测量误差小于10%。（3）增加n(t)幅度，使之等于10S(t)，然后叠加在放大器的输入端。要求锁定放大器对S(t)信号的测量误差小于10%。题目要求（简写）二，锁定放大器设计要点3，衰减器分压比的确定二，锁定放大器设计要点3，衰减器分压比的确定方案1：被测信号和干扰信号分别衰减后再叠加。方案2：被测信号和干扰信号先叠加然后再衰减。交流放大器相敏检波器直流放大器低通滤波器带通滤波器触发整形移相器方波驱动参考输出r(t)信号x(t)信号通道参考通道S(t)显示R(t)微弱信号衰减器输出电压范围为10μV～11mV（有效值），即28μV～30.8mV（峰峰值）。由于信号发生器的最大输出峰峰值为20V，则20V/30.8mV=650，取衰减倍数为600倍为减少信号源本底噪声影响，信号源最小输出电压峰峰值＞10mV。本设计衰减器的衰减倍数为600倍，则当衰减器输出电压峰峰值为28μV时，要求信号源输出电压峰峰值为16.8mV，满足＞10mV（峰峰值）的要求。许多作品衰减器的衰减倍数设计为1000倍，则当衰减器输出峰峰值为30.8mV时，要求信号源输出峰峰值为30.8V，一般信号源不能提供。若衰减倍数设计为100倍，则……处理10μV级小幅度信号需选择低噪运放并注意制作布线工艺。设交流放大器供电电压为±5V，考虑电源轨限制，可估计交流放大器的输出电压最大范围是±4V（峰峰值）。为了提高测量精度，在输出电压不超出±4V的前提下，交流放大倍数应尽量大，但过大倍数将导致放大器性能不稳定，应兼顾考虑。（一般选≤1000）输入信号的最大最小幅值相差100倍，为了使最小幅值信号得到足够的放大，同时保证最大幅值信号不溢出，可将放大器的倍数分为2～3档。兼顾以上因素，放大器可分为2档：一档为100倍，用于放大1mV～11mV（有效值）的信号，另外一档为1000倍，放大10μV～1mV（有效值）信号。4，交流放大器的设计三，评审结果分析69（约60%）合计43分37三等奖66分27二等奖90分10一等奖95分5特等奖测试最低分队数奖项目C题参赛总队数：116队120总分其他自主发挥。5（8）S(t)幅度为1mV；n(t)幅度为10mV，频率为2000Hz时，对S(t)信号的测量误差小于10%。10S(t)幅度为1mV；n(t)幅度为10mV，频率为1050Hz时，对S(t)信号的测量误差小于10%。10（7）S(t)幅度为1mV；n(t)幅度为1mV，频率为2000Hz时，对S(t)信号的测量误差小于10%。10S(t)幅度为1mV；n(t)幅度为1mV，频率为1050Hz时，对S(t)信号的测量误差小于10%。10（6）实现S(t)与干扰信号n(t)的1:1叠加。5（5）在S(t)分别为10μV、1mV时，数字显示电路测量显示值与S(t)有效值误差小于10%。15（4）信号通道的3dB频带范围为900Hz~1100Hz。误差小于20%。10（3）r(t)相位相对于R(t)可连续或步进移相180度。15r(t)为方波信号。5（2）自制电阻分压网络将R(t)分压后接至被测信号S(t)端，S(t)幅度有效值为10μV~1mV。5（1）测试内容与评判方法分数项目测评表（稍微有改动）运放应用（35分）相敏检波器（15分）锁定放大器的性能（50分）其他：S(t)幅度为10μV；n(t)幅度为100μV，频率为1050Hz时5（8）S(t)幅度为1mV；n(t)幅度为10mV，频率为2000Hz时，对S(t)信号的测量误差小于10%。10S(t)幅度为1mV；n(t)幅度为10mV，频率为1050Hz时，对S(t)信号的测量误差小于10%。10（7）S(t)幅度为1mV；n(t)幅度为1mV，频率为2000Hz时，对S(t)信号的测量误差小于10%。10S(t)幅度为1mV；n(t)幅度为1mV，频率为1050Hz时，对S(t)信号的测量误差小于10%。10（6）得分记录测试内容与评判方法分数项目测评表（稍微有改动）能完成第（8）项主要取决于整体设计水平，尤其是交流放大器和相敏检波器设计水平、包括设计方案、核心器件的选择以及布线等工艺水平,只有4-5队能完成第（8）项。能同时完成第（6）项及第（7）项者，可获一等奖（大于90分）；能完成第（6）项及部分第（7）项者，一般可获二等奖（大于70分）；能完成第（6）项，但不能完成第（7）项的主要原因是，衰减器分压比例设置不当。三，评审结果分析进一步加强基本电路的训练；（80%)重视理论的指导作用(重视原著)；加强运用所学知识灵活处理问题的能力。该题知识点丰富，上手容易，难度适中，非常适合做为模拟技术赛前训练题；建议把原题测量误差要求从10%改为2%。建议：几点意见：