锁相放大器实验平台

李 敏，韦铭远，刘 俊

（重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044）

“电子设计与科技创新”是面向仪器类专业学生开设的创新实践类课程，课程旨在培养学生电子电路系统设计制作综合实践和创新能力，为后续相关课程学习和创新实践奠定基础，课程实验教学的开展需要一套使用灵活、扩展性强的实验平台。目前，电子电路系统实验平台主要分为两种：一种是利用分立器件在万用板或面包板上搭建实验电路，另一种则是利用实验箱来完成实验[1-2]。复杂电路实验如果借助万用板或者面包板搭建电路，稳定性差，对学生理论知识的提升作用甚微。实验箱性能稳定，操作简单，但是实验项目固定，无法实现二次开发，难以满足学生综合实践能力培养需要[3-4]。

锁相放大器作为检测微弱信号的重要仪器，在科学研究的各个领域都有广泛应用[5-8]；相关实验不但涵盖直流稳压电源、放大、滤波、相敏检波、信号产生及单片机最小系统等电路知识，而且涉及单片机C语言编程[9-11]，覆盖知识点全面，适合仪器信号处理电路设计制作实训。

本文从“电子设计与科技创新”课程教学目标出发，开发了锁相放大器实验平台，采用模块化设计，使用灵活，扩展性强，不但可以满足课程教学需要，还可以拓展用于课程设计、毕业设计等学生自主创新实践训练环节。

1 实验平台整体方案

1.1 正交锁相放大原理

锁相放大器采用被测信号与参考信号在相敏检波器中进行相关，以滤除噪声的原理来实现对微弱信号的检测[12]。设被测信号x(t) =s(t) +n(t)，其中s(t)为有用信号，n(t)为噪声信号，参考信号为r(t),在一个周期中求积分，可以得到

其中τ是x(t)和r(t)之间的时延。由于r(t)与s(t)有某种相关，与n(t)不相关，而且s(t)与n(t)也不相关，因此Rnr(τ) =0[13]。

本实验平台选用双通道正交锁相放方案，双通道正交锁相放器在单通道锁相放大器基础上增加1路正交参考信号[14-15]，其原理结构如图 1所示，设x(t) =As in(ω1t+φ)+n(t)，r1(t) =Bs in(ω2t+θ)，x(t)和r1(t)通过相敏检波和低通滤波后的输出为

其中A和B分别为输入和参考信号幅值。

根据相关检测理论，当ω1=ω2时有

两路信号的均方根为

从式（5）可知，系统输出uo与被测信号幅值成正比，与初始相位无关，与噪声也无关，如果参考信号幅值B已知，就可以根据uo计算出输入信号幅值A。

图1 双通道正交锁相放大器原理结构

1.2 锁相放大器实验平台硬件

锁相放大器实验平台设计遵循电子电路系统学习的一般规律，从元器件到单元电路，再到电路系统，从看懂电路到设计电路，由浅入深引导学生学习。实验平台包括单元电路实验平台和系统电路实验平台，单元电路实验平台用于基础级、综合级实验，系统电路实验平台用于创新级实验，图2是实验平台硬件结构框图，图3是平台实物照片。

图2 锁相放大器实验平台硬件结构

图3 锁相放大器实验平台照片

单元电路实验平台包括前置放大及滤波、程控放大、相敏检波及低通滤波、绝对值电路、单片机最小系统、参考信号产生、直流稳压电源、JLINK下载器等模块。将前5个模块整合成一个整体电路，构成系统电路实验平台，为提高实验平台的便携性，方便学生开展实验，系统电路实验平台增加了变压器，型号为DB-30VA，以替换直流稳压电源供电。

2 实验项目开发

2.1 基础级实验

2.1.1 元器件认知实验

实验目的是让学生熟悉实验平台的硬件组成，识别不同元器件的种类、规格及用途，学会使用万用表检测常用电子元器件，熟悉元器件电气参数，掌握元器件参数标注方法。对于集成芯片，要求学生查阅芯片手册，了解芯片主要功能与应用范围、引脚功能、供电电压等基本信息，熟悉典型应用电路。

元器件知识是设计制作电路的基础，由于学生基本没有电子电路实践经验，对元器件基本知识了解甚少，因此要求学生除完成课程实验外，加强对元器件知识学习。

2.1.2 单元电路模块仿真、焊接和测试实验

实验目的是让学生掌握单元电路功能和实现原理，学会电子电路计算机仿真软件的使用，理解模拟仿真的局限性，熟悉电路原理图和PCB的对应关系，掌握焊接技术和焊接知识，熟悉常用仪器的使用，掌握模块电路测试的方法和步骤及实验数据分析和处理方法。

实验教学采用小组式教学方式，仿真实验由组内学生各自独立完成，电路板焊接由组内学生分工完成，电路板测试由组内学生合作完成。

1）前置放大及滤波模块实验。

前置放大及滤波模块的作用是将被测信号放大一定倍数，对仪器带外噪声进行滤波，提高信噪比。设计的锁相放大器输入信号范围为50 μV～10 mV，通带为10 Hz～10 kHz，考虑到后级电路，前级放大采用两级同相放大，每一级的放大倍数为11，两级级联的放大倍数为 121；为保证带内平坦度，带通滤波器的高通截止频率设计为 300 mHz，低通截止频率设计为300 kHz，经测试选用精密运算放大器OPA189作为前置放大及滤波电路的核心元件，图4是前置放大及滤波模块电路原理图。

图5和6分别是前置放大及滤波模块输入输出仿真结果和幅频特性测试结果。从仿真结果看，对于不同频率和幅值信号输入，输出信号放大倍数与理论设计一致，信号失真度小。从测试结果看，前置放大及滤波模块的放大倍数在通频带内约为41.52 dB，接近121倍，高通截止频率约为347 mHz，低通截止频率约为346 kHz，满足设计要求。

2）程控放大模块实验。

图4 前置放大及滤波模块电路

图5 前置放大及滤波模块输入输出仿真结果

图6 前置放大及滤波模块幅频特性测试结果

程控放大模块主要作用是根据后级需要，将信号放大至相敏检波器的工作电平，保证相敏检波器的正常工作，经测试选用可编程放大器PGA202作为程控放大器芯片，图7是程控放大模块原理图。在电路设计上，采用单片机控制和手动两种控制增益方式，通过控制A0和A1引脚电平可以实现1、10、100、1 000倍增益。为了减小A/D转换带来的误差，放大倍数应在输出电平满足量程的情况下尽量大，当单片机测得两个通道电压同时小于+0.3 V时，认为增益过低，会提示提高增益；当单片机测得通道电压有一个大于+3.1 V时，认为增益过高，会提示降低增益。

图7 程控放大模块电路

图8 和9是程控放大器模块测试结果。实验过程中，设定输入信号频率为10 kHz、幅值从2 mV开始逐渐增大。输入幅值在2～9 mV之间时，增益分别设置为100和1 000；输入幅值在10～99 mV之间时，增益设置为100；输入信号幅值在100～999 mV之间时，增益设置为10；输入信号幅值在1 000～7 000 mV之间时，设置为 1。从测试结果看，所设计的程控增益放大电路增益可控、精度高，整个幅值范围内的相对误差最大值为2.52%。

图8 程控放大模块输入幅值2～9 mV测试

图9 程控放大模块输入幅值10～9 000 mV测试

3）相敏检波及低通滤波模块实验。

相敏检波电路的作用是以参考信号为基准，从待测信号里检测出与参考信号同频的信号分量。低通滤波电路的作用是滤除前级输入信号的交流分量，提取包含有效信号幅值和相位信息的直流分量。低通滤波器的截止频率太低会带来建立时间过长的负面影响，综合考虑，低通滤波器的截止频率设置为240 mHz。相敏检波选用AD630芯片，低通滤波选OPA1612芯片，图10是相敏检波及低通滤波电路原理图。

图10 相敏检波及低通滤波模块电路

图11 相敏检波电路仿真结果

图12 相敏检波及低通滤波模块测试结果

图11 和12分别是相敏检波电路仿真结果和相敏检波器及低通滤波模块测试结果。输入两路频率为1 kHz，幅值为1 V的正弦波，考察两路信号在相位差为 0°、90°、180°和 270°时的输出，仿真结果中信号输出与理论设计一致，实验结果中输出信号幅值最大相对误差为3.26%。

4）绝对值电路模块实验。

绝对值电路模块主要作用是对低通滤波电路输出的直流信号进行绝对值运算处理，将其调整至单片机能处理的电平。绝对值电路选用OPA1612芯片，电路如图13所示。

图13 绝对值电路

图14 是绝对值电路仿真结果，可以看出，该电路起到了精确的绝对值运算作用，仿真结果符合理论设计。

图14 绝对值电路模块仿真结果

在基础级实验教学中发现，学生对仿真软件使用不熟悉，焊接电路出现短路和断路故障较多，仪器使用不熟悉，操作不规范，实验数据分析处理能力较差。随着实验逐渐深入，学生对电路原理和测试参数理解更加透彻，动手实践能力明显提高。

2.2 综合级实验

2.2.1 锁相放大器性能测试实验

本实验要求学生分别用单元电路实验平台和系统电路实验平台搭建锁相放大器，测试其输入输出特性，对比分析不同测试条件下实验结果产生差异的原因，掌握电路模块级联知识。

实验过程如下：第1步，调节信号源1，输出频率为1 kHz、幅值为1 mV的正弦信号，调节参考信号使锁相放大器输出最大；第2步，调节信号源2，输出频率为10 kHz幅值为1 mV的正弦信号，模拟噪声信号；第3步，调节信号源1，使输出信号幅值为30 uV，然后再逐渐增大到 7 mV，记录锁相放大器对应的输出；第4步，调节信号源2，输出频率为950 Hz、幅值为10 mV的正弦信号，模拟强噪声信号，重复第3步。图15和16是搭建的锁相放大器输入输出特性测试结果。

由实验结果看，两种条件下输出拟合曲线2R均在0.99以上，具有良好的线性度，最大相对误差为2.96%。

2.2.2 锁相放大器改进实验

实验要求学生从提高锁相放大器性能指标出发，采用与实验平台不一样的方案，设计制作单元电路模块。通过本实验主要让学生掌握电子电路设计制作的一般方法和过程，进一步加深对锁相放大器性能参数和实现原理的理解。

实验过程中，组内同学分工合作，查阅资料，拟定设计方案；通过理论计算，借助电子电路仿真软件，确定元器件参数，优化电路结构；利用Altium Design软件绘制电路PCB，焊接调试电路，搭建实验平台，测试改进设计后的电路模块性能指标。

图15 输入信号1 kHz、噪声信号10 kHz时测试结果

图16 输入信号1 kHz、噪声信号950 Hz时测试结果

本实验难度加大，从方案设计，元器件选择及参数确定，到电路PCB绘制、焊接和调试，每一步都要求学生自行完成。实验过程中，PCB元器件布局和走线不合理、电路板虚焊、单元电路级联阻抗不匹配等问题一般需要学生在老师指导下，反复修改才能解决。在此过程中，学生综合运用理论知识解决实际问题的能力和团队协作能力都得到了极大提高。

2.3 创新级实验

实验要求学生针对锁相放大器实际应用如测量小电阻、小电容、热噪声、热电势等，利用系统电路实验平台构建微弱信号检测系统。

实验要求从单元电路设计提高到电路系统设计，学生可以选择老师提供的题目，也可以根据锁相放大器的应用自拟题目。题目选定后，进行方案答辩，方案通过后，进入自主设计制作环节，本实验不要求学生到实验室集中完成，学生遇到问题联系老师解答，整个实验过程采取开放管理，老师只在任务节点监督。实验验收采取集中答辩方式，通过答辩展示，学生可以相互学习方案设计理念，工程问题表达能力也得到了锻炼。

3 应用实施方案

基于模块化思路开发的锁相放大器实验平台在实验教学项目设计中遵循电子电路设计制作的常规方法和流程，从元器件认识入手，实验项目设计由浅入深，能开设至少50学时实验（见表 1）。实验教学过程中可采用课内外相结合的教学模式。

表1 基于锁相放大器实验平台的实验教学项目

4 结语

本文针对“电子设计与科技创新”实验课程教学需要，开发了锁相放大器实验平台，通过理论分析和实验测试验证了实验平台的性能和开展相关实验项目的可行性。利用本平台开展实验教学，取得了良好的教学效果，学生在电子电路设计制作方面的创新实践能力明显提高。

结合学生在实验过程中开展的创新设计，可以进一步完善锁相放大器硬件电路和软件算法，提高平台的性能，拓展实验平台功能应用，实现教学仪器到科研仪器的转化。