锁定放大微弱信号检测仿真与设计研究

为解决商用锁定放大器不便于特定应用背景下微弱信号检测系统的灵活扩展与剪裁,该文分析了正交锁定放大的基本原理,建立了正交锁定放大的MATLAB/SIMULINK数学模型,展示了锁定放大所能达到的性能以及数字信号处理对锁定放大性能的改善效果。给出了正交锁定放大检测装置的硬件设计过程,包括前端信号调理电路、移相电路、相敏检测电路、低通滤波电路、均方值电路及数字显示电路等。仿真表明,在高斯噪声影响下,微弱信号检测可以达到较高的检测精度,且通过滑动平均值滤波算法可以有效提高检测的精度。实验研究表明,在噪声信号峰峰值为10 V情况下,可以将50 m V的有用信号提取出来,且在50 m V以上可以拟合出较好的输入输出线性关系,便于检测装置的标定。     

一种新的弱磁场检测方法研究

介绍一种新的弱磁场测量方法,利用巨磁阻传感器,测量较为微弱的磁场信号,采用恒流供电,优化了传感器的供电模式,改善了传感器在弱磁场范围内的线性特性。设计低噪声、低失真的放大电路对传感器输出的信号进行放大,采用调零电路改变放大电路的输出来抵消外界静磁场的干扰。     

化学实验室中的噪声与微弱信号检测

在信号检测中不可避免地存在噪声,被测信号往往是被噪声搞得很模糊的微弱信号,因此,噪声的抑制对微弱信号检测有着重要意义.例如在红外和紫外光谱仪、核磁共振、电子顺磁共振、俄歇电子谱仪、质谱仪、光声光谱仪、光电子能谱仪等表面分析仪器中都需要利用锁定放大和取样平均等微弱信号检测技术.在电化学测量、气(液)相色谱、荧光分析等测量中微弱信号检测技术也不可缺少.下面仅以电化学为例说明微弱信号检测技术的应用.     

微弱光强信号采样电路设计

微弱光信号检测电路应用在许多精密测量仪器中。针对微弱光强信号放大采样问题,分析了传统光电检测电路存在的不足,采用S2387系列光电二极管,结合多级放大电路与T型反馈电阻网络,设计了一种放大倍率可编程的微弱光强信号采样电路。基于对实验数据的分析,通过对前后级放大倍数的合理分配,该电路兼顾了提高响应速度与降低噪声的要求,简洁可靠,适合于光强和波长变化范围大的微弱荧光、散射光和反射光检测。     

微伏级直流信号检测技术

针对微波功率检波器输出直流电压信号微弱、背景噪声强的特点,采用平衡斩波微弱信号检测技术,将微弱直流信号转化为交流信号,对交流信号进行低噪声前置放大和数字化处理,以实现大动态范围微波信号检测.通过对检波、斩波、前置放大和带通滤波电路的优化设计,制作了实验电路进行了实验研究,给出了实验验证结果.     

基于LabVIEW的三维静磁场计微弱信号检测系统

针对一种新型基于压电悬臂梁驱动器结构的三维静态磁场计,介绍了基于LabVIEW的测量微弱交流信号的检测系统.该检测系统包括高增益的前置运算放大器电路和信号处理2个部分.在虚拟仪器平台上利用LabVIEW设计了包含相敏检波的信号处理方法.实验结果显示:该检测系统具有很高的磁场检测灵敏度,在31μT的范围内,具有10 nT的分辨率和1%的线性度.该检测系统同样适用于其他微弱传感器信号的检测.     

基于AD620的微弱信号放大器设计

为了解决微弱信号放大电路中零点漂移、放大失真等缺陷,设计了一种基于AD620的高精度微弱信号放大器。该放大器是以仪表放大器AD620为核心,辅以电压跟随器和二阶低通滤波电路,来滤除电路中的噪声信号提高放大精度,利用零点漂移电路来调整电路输出零点,保证传感器未动作时,电路输出的放大电压为零。实际测试结果表明,该电压放大器精度高,误差小于0.1%,可用于放大各型号传感器输出的微弱信号以及作为传感器的变送器使用。     

环境磁场的补偿与控制

实现了一种对环境磁场补偿控制的比例积分(PI)控制模拟电路,即利用磁强计测量到的环境磁场作为系统输入.经过PI模拟电路放大处理后,作为反馈信号输出到线圈,形成闭环控制,起到了补偿环境磁场的作用.该模拟控制电路与数字电路方案相比,具有控制速度快、结构简单等特点.实验结果说明,该系统对环境磁场的低频扰动具有较好的补偿作用.     

CMUT电流信号的转化放大与滤波电路设计

针对电容式微机械超声换能器(CMUT)高灵敏度、宽频带的特点以及微弱电流检测的需求,设计了一种高增益、宽频带的三级放大电路,实现对CMUT器件的微弱电流信号的检测、放大以及滤波功能。通过搭建测试系统平台,实现CMUT对水下超声信号的接收,对电流信号接收放大与滤波,同时对电路性能进行测试验证。实验结果表明,电路可以对CMUT器件产生的微弱电流信号进行转换放大和滤波,增益可以达到130 dB以上,同时前两级电路结构的带宽也可以达到10 MHz,涵盖了CMUT的工作频带。测试结果表明,第一级与第二级电路结构具有良好的线性度与稳定性,第三级电路结构的测试结果与仿真结果具有一致性,该电路可以对CMUT发出的微弱电流信号进行转化、放大和滤波。     

CH4检测系统微弱信号处理电路研究

基于光谱吸收原理设计的CH4检测系统,气体吸收的信号比光源的噪声还要小,被淹没在背景噪声中.为改善检测系统的信噪比,针对非常微弱的气体吸收信号,基于微弱信号的锁定检测原理,以锁相放大器为核心,以同步积分器自动跟踪滤波,设计了检测系统的光电信号处理电路.结果表明电路输出电压与CH4体积分数呈线性关系,电路对CH4气体体积分数的检测极限为150×10-6.     

基于AD630的双相锁相放大器设计

在利用激光吸收光谱技术进行摩托车尾气检测的系统中,携带有用信息的光信号是微弱信号,淹没在很强的噪声和其他干扰的背景中,因此必须采用微弱信号检测技术中的锁相放大器来实现有用信号的提取。阐述了微弱信号检测的基本原理,比较了单通道和双通道的锁相放大器的优劣,设计了运用AD630作为相关乘法器的双相矢量锁相放大器。     

静电悬浮转子微陀螺微位移信号检测系统的设计

为实现对悬浮转子微陀螺转子五自由度的测量,提出了一种频分复用的微位移检测原理,主要介绍了多频率信号发生器,前置放大器,锁相放大器组成的测试系统,设计了一种基于DDS技术的多频率信号发生器和基于锁相放大原理的解调电路。实验和分析结果表明,该电路能实现多自由度微位移检测,设计的多频率信号发生器的频率分辨率能达到0．005821Hz,相位分辨率可以达到0．006rad,检测轴向灵敏度为1．34V／μm,检测径向灵敏度为0．092V／μm,测量电路的轴向位移分辨率为0．45nm,径向位移分辨率为6．6nm,转角的分辨率为0．25μrad,位移检测电路的分辨率,灵敏度和测量范围能够满足静电悬浮转子微陀螺的控制需要。     

基于数字锁相放大的时栅传感器信号处理研究

针对时栅位移传感器对信号噪声和插补时钟频率稳定性敏感及需要时钟频率高的问题,提出了一种基于数字锁相放大技术的时栅位移传感器信号处理方法。该方法用STM32F4微处理器同步产生激励信号和采集时栅输出信号,不需采集正交参考信号,将正交参考信号和输出信号送入正交矢量型数字锁相放大器,实现角位移检测。研究了基于数字锁相放大技术的时栅传感器信号处理原理和算法,设计了A/D采集电路和窄带低通数字滤波器。仿真和试验表明:在信号噪声较大条件下,时栅位移传感器的误差控制在±1.1″以内,显著提高了精度。该方法只需采集一路感应信号即可实现传感器角位移检测,优化和简化了电路结构。     

Digital Lock-in Amplifier Based on Microcontroller

A method of implementing high cost-effective and highly integrated digital lock-in amplifier with microcontroller is discussed. And the digital lock-in amplifier is more suitable for measuring low-frequency weak signal.Digital signal sequence is obtained through sampling signal measured over an integer number of signal periods, but digital reference sequence is acquired through mathematical operation, then digital phase sensitive detection can be implemented by calculating the cross-correlation function of digital signal sequence and digital reference sequence.In addition, the frequency response and phase character of the digital lock-in amplifier is analyzed. Finally, the designed digital lock-in amplifier is achieved. Experimental results show that the digital lock-in amplifier can be used for measuring weak signal with low ignal-to-noise ratio.     

LSI离子刻蚀过程中的微弱信号提取及刻蚀过程的在线监测

叙述了发射光谱法的终点监测原理,锁相放大技术在PIE和RIE工艺过程监测中的应用,并详尽地讨论了开关电容滤波器的原理,而且在电路设计中采用了跟踪开关电容滤波器的锁相放大器设计,从而提高了系统的动态范围,最后说明了该系统用于实际生产线所获得监测结果。     

磁记忆应力集中检测仪的研制与试验

以磁记忆效应为基础,说明了应力集中的检测原理.以笔记本电脑为中心,针对选定的磁敏传感器输出信号微弱的特点,设计了包括二级放大电路在内的硬件电路,应用面向对象的程序设计思想开发了相应检测软件.根据并行口的功能,给出了进行数据采集的具体程序.拉伸和疲劳循环试验说明了所研制的仪器能有效地检测构件的应力集中.     

基于谐波检测的光谱吸收型光纤瓦斯传感器

针对目前煤矿普遍采用的热催化瓦斯探测传感器的检测灵敏度低、环境干扰大的缺陷,设计了基于谐波检测的光谱吸收型光纤瓦斯传感器。该传感器采用锁相放大器为核心的微弱信号处理电路,通过对一次谐波和二次谐波的实验数据进行数据拟合,实现了对瓦斯气体浓度的实时精确检测。实验结果表明:该传感器能够有效地提取瓦斯浓度变化信息,测量误差小,灵敏度高。     

基于固态自旋系综NV色心微波调制的磁传感技术研究（英文）

针对传统磁场检测设备分辨率低、测量精度低的现状,提出了一种基于金刚石NV色心微波频率调制进行磁检测的方法。通过频率调制方法,可以降低测量系统中低频噪音干扰,提高测量灵敏度。首先通过扫描微波频率得到ESR谱线,然后利用混合高频正弦调制信号进行频率调制,并使用锁相放大器对频率进行锁定,得到频率与光谱一阶导数成比例的信号。实验结果表明,磁场检测灵敏度可达17.628nT/Hz~(1/2)。该方法实现了高分辨率、高灵敏度的磁场检测。     

锁相放大器在激光外差信号检测中的应用

目前,激光外差技术在激光测振、测速和测距等精密测量中已有广泛的应用,但在这些应用中待检测的光信号都非常微弱且含有大量噪声。为了提取该信号采用锁相放大器作为系统检测电路,在分析锁相放大器原理的基础上,设计了锁相放大器各模块电路并仿真。经实验测试,在给锁相放大器加幅度为0．01～0．5mV的信号时,在电路输出端可以得到信号。