龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/e718081733.html, 数字PPL频率合成器的原理与使用 作者：伊力多斯·艾尔肯 来源：《中国科技博览》2013年第36期 中图分类号：TN742.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0323-01 中波广播发射机载波频率振荡器能在531KHZ--1602KH频段内提供，1KHZ为间隔的1071个频率点。这些频点的载波振荡频率稳定度和精度都应满足系统的性能要求，并能迅速变换。显然常用的晶体振荡器无法满足上述要求，因为尽管晶体振荡器能提供高稳定的振荡频率，但其频率值单一，只能在很小的频率段内进行微调。频率合成技术则是能够实现上述要求的一种新技术，数字PLL频率合成器是目前应用最广泛的一种频率合成器，它与模拟PLL频率合成器的区别在于数字PLL中采用除法器（分频器），而不是用频率减法器来降低输入鉴相器频 率的。由于分频器可以很方便的用数字电路来实现，而且还具有可储存可变换的功能。因此它比一般的模拟PLL频率合成器更方便、更灵活。此外，数字电路易于集成和超小型化。 PLL即相位锁定环路，它是自动控制两振荡信号频率相等和相位同步的闭环系统，频率合成是指用可变分频器的方法将一个（或多个）基准频率信号转换为频率按比例降低或升高的另一个（或多个）所需频率信号的技术，采用PLL技术的频率合成器称为锁相环路频率合成 器，图（1）所示为数字PLL合成器的原理框图。它主要有鉴相器（PD），压控振荡器（VCO），基准晶体振荡器，基准分频器（1/R），前置分频器（1/K），可编程分频器也叫程控分频器（1/N），低通滤波器（LPF）等组成。可编程分频器的分频系数N由二进制码Po---Pn制定（如图1）。 其中鉴相器（PD）是完成压控振荡器（VCO）的输出信号U0（t），经前置分频和程控分频的信号Uf（T）与输入信号Ui（t）的相位比较，得到误差相位Φe（t）=Φf（t）-Φi（t），产生一个输出电压Ud（t），这个电压的大小直接反映两个信号相位差的大小，电压的极性反应输入信号Ui（t）超前或滞后于Uf（t）的相对相位关系。由此可见，PD在环路中是用来完成相位差电压转换作用，其输出误差电压是瞬间相位的函数。低通滤波器（LPF）滤除Ud （t）中的高频分量与噪声成分，得到控制信号Uc（t），压控振荡器（VCO）受Uc（t）控
锁相频率合成器的设计 引言： 锁相频率合成器是基于锁相环路的同步原理，有一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器，合成出许多离散频率。即将某一基准频率经过锁相环的作用产生需要的频率。 一． 设计任务和技术指标 1. 工作频率范围：300kHz —700kHz 2. 电源电压：Vcc=5V 3. 通过原理图确定电路，并画出电路图 4. 计算元件参数选取电路元件（R1，R2，C1及环路滤波器的配置） 5. 组装连接电路，并测试选取元件的正确性 6. 调试并测量电路相关参数（测量相关频率点，输出波形，频率转换时间t c ） 7. 总结并撰写实验报告 二． 设计方案 原理框图如下： 由上图可知，晶体振荡器的频率f i 经过M 固定分频后得步进参考频率f REF ，将f REF 信号作为鉴相器的基准与N 分频器的输出进行比较，鉴相器的输出U d 正比于两路输入信号的相位差，U d 经环路滤波得到一个平均电压U c ，U c 控制VCO 频率f 0的变化，使鉴相器的两路输入信号相位差不断减小，直到鉴相器的输出为零或某一直流电平。锁定后的频率为f i /M=f 0/N=f REF 即f 0=(N/M)f i =Nf REF 。当预置分频数N 变化时，输出信号频率f 0随着发生变化。 三． 电路原理与设计 （一） 晶体振荡器的设计 用2.5M 晶体和非门组成2.5MHz 振荡器。如下图所示： （二） M 分频电路
分频器选用74LS163，M=100 （三）锁相环的设计 CD4046压控振荡电路图如下： 数字锁相环CD4046有两个鉴相器、一个VCO、一个源极跟随器（本实验未用）和一个齐纳二极管组成。鉴相器有两个共用的输入端PCA IN和PCB IN，输入端PCA IN既可以与大信号直接匹配，又可间接与小信号相接。
锁相放大器实验报告 摘要：本实验利用锁相放大器对信号中的噪声进行抑制并对其进行检测，了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成；掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。通过实验学会锁相放大器的使用，掌握利用锁相放大器来观察信号输入信号通道前后的幅值以及波形情况，获得相位与电压、放大倍数与电压的关系，并且通过噪声的观察知道如何消除噪声。 关键词：锁相放大器，微弱信号放大，PSD 输出波形，谐波响应 引言：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的。方法，将微弱信号从噪声中提取出来。自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。 一、实验原理： 1、 噪声 在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。这类信号检测的最终极限将取决于测量设备的噪声，这里所说的噪声是指干扰被测信号的随机涨落的电压或电流。噪声的来源非常广泛复杂，有的来自测量时的周围环境，如50Hz 市电的干扰，空间的各种电磁波，有的存在于测量仪器内部。在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1／f 噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动的涨落现象引起的。从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。 2、相干检测及相敏检波器 微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。设信号f 1(t )为被检信号V s (t )和噪声V n (t )的叠加，f 2(t )为与被检信号同步的参考信号V r (t )，二者的相关函数为： 由于噪声V n (τ)和参考信号V r (τ)不相关，故R nr (τ)=0，所以R 12(τ)=R sr (τ)。锁相放大器通过直接实现计算相关函数来实现从噪声中检测到被淹没信号。 锁相放大器的核心部分是相敏检波器(phase —sensitive detector,简称PSD)，也有称它为混频器(mixer)的，它实际上是一个乘法器。加在信号输入端的信号经滤波器和调谐放大器后加到PSD 的一个输入端。在参考输入端加一个与被测信号频率相同的正弦（或方波）信号，经触发整形和移相变成方波信号，加到PSD 的另一个输入端。 若加在PSD 上的被测信号为u i ，加在PSD 上的方波参考信号u r 幅度为1，若用傅里叶级数展开，则方波的表达式为 ()[]∑∞=++=0r r 12sin 1 21π4n t n n u ω, （n =0，1，2）。 (1) 于是PSD 的输出信号为 从式(2)可以看出，输出信号oPSD u 包含有下列各种频率分量：
四川师范大学本科毕业设计 基于数字式锁相环频率合成器的设计与实现 学生姓名 院系名称 专业名称 班级级班 学号 指导教师 完成时间年月日
基于数字式锁相环频率合成器的设计与实现 电子信息工程专业 学生姓名指导老师 摘要随着通信信息技术的快速发展，信号产生的方式多种多样，然而数字式锁相环频率合成器在信号产生技术中扮演了越来越重要的作用，数字式锁相环频率合成器在频率频率稳定度和频谱纯度上，频率输出个数上有着巨大的优势，是其他器件所不能代替的！因此在军用和民用雷达领域，各种导航器以及通信领域广泛运用！ 基于此，本人设计了一个由晶体振荡器和分频器，锁相环路（鉴相器，低通滤波器，压控振荡器）组成的数字式锁相环频率合成器，晶体振荡器的作用是产生一个固定的频率，然后通过分频器得到一个基准频率，锁相环路对基准频率进行频率合成，到最后，合成后的频率经过放大器，使不同的频率的幅度稳定在一定的范围内，这样的话不会是信号不会随着输出频率的变化而减少！ 数字式锁相环频率合成器是开环系统的，频率转换时间很短，分辨率也较高，结构相对简单，成本也不高，输出的频率在稳定度和精准度上也有很大的优势。但是，由于毕业在即时间紧张，本人经验有些不足，希望老师和同学们帮助与指导。 关键词：锁相环频率合成晶体振荡器分频器锁相环路
The Design and Implementation of Digital Pll Frequency S ynthesizer Abstract With the rapid development of communication technology, signal way is varied, but in signal digital phase locked loop frequency synthesizer technology plays an increasingly important role, digital phase locked loop frequency synthesizer on the frequency stability and frequency spectrum purity, frequency output factor has a huge advantage, is cannot replace by other device! So in the field of military and civilian radar, navigator, and widely used communication field. Based on this, I designed a by the crystal oscillator and a frequency divider, phase locked loop (phase discriminator, low-pass filter, a voltage controlled oscillator) consisting of digital phase locked loop frequency synthesizer, the effect of crystal oscillator is a fixed frequency, then a reference frequency is obtained by frequency divider, phase locked loop frequency synthesis was carried out on the fundamental frequency, in the end, after the synthesis of frequency through the amplifier, the size of the different frequency stability in a certain range, so not the signals are not as the change of output frequency and less! Digital phase locked loop frequency synthesizer is the open loop system, frequency conversion time is short, the resolution is higher also, structure is relatively simple, the cost is not high, the output frequency of the in stability and precision also has a great advantage. However, due to the graduation of time is tight, I experience some shortage, hope the teacher and the students help and guidance. Key words: Phase-locked loop Frequency synthesis Crystal oscillator Divider Phase locked loop
C题：锁定放大器的设计 摘要：本设计对于检测微弱信号的锁存放大器进行论述，锁定放大器主要包括交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器及液晶显示等几个部分。其中，交流放大器以INA128为主要构成部件，实现交流信号的放大从而作为带通滤波器的输入；带通滤波器用UAF42构成，实现对900Hz到1100Hz频带范围的滤波过程，其误差小于20%；相敏检波器的主要部件采用乘法器MPY634，得到的信号在输入低通滤波器经直流放大器放大后输入显示电路，显示出被测信号的幅度及有效值。另外，在相敏检波器部分的方波驱动信号由参考信道的参考信号经触发整形、移相、比较而来。同时，为了更好的检测出锁定放大器的性能，在信号的输入端增加加法器电路，实现被测信号与干扰信号的1:1叠加，当干扰信号的频率为1050Hz—2100Hz时，输出端的测量误差小于10%。锁定放大器在实际应用中用途广泛，尤其对于微弱信号检测方向站着主导地位，随着科技的发展已渐渐的融入人类的生活之中，拥有很好的发展前景。 关键词：带通滤波器；相敏检波器；显示；方波驱动
1 总体方案设计 1.1方案比较与选择 1.1.1微弱信号检测模块方案比较 方案一：采用滤波电路检测微弱信号，通过滤波电路将微弱信号从强噪声中检测出来，但滤波电路中心频率是固定的，而信号的频率是可变的，无法达到要求，由此可见该方案不满足要求。 方案二：采用取样积分电路检测小信号，采用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复N次，则测量结果的信噪比可改善√N倍，但这种方法取样效率低，不利于重复频率的信号恢复。 方案三：采用锁相放大器检测小信号，锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器等组成，其中相敏检波器(PSD)是锁相放大器的核心，PSD把从信号通道输出的被测交流信号进行相敏检波转换成直流，只有当同频同相时，输出电流最大，具有良好的检波特性。由于该被测信号的频率是指定的且噪声强、信号弱，正好适用于锁相放大器的工作情况，故选择方案三。 1.1.2移相网络模块方案比较 方案一：数字法：采用数字相移的方法势必增加电路的难度，所以此法不可取。 方案二：模拟法：由于电路用的是锁相放大，所以要保持输入信号相位的一致，故需要对参考信号做移相处理，移相采用简单的RC电路搭成，可以很容易得到所需效果。所以采用方案二。 1.1.3电阻分压模块方案比较 电阻分压网络有串联分压和π型网络，π型网络的性能较好，适合在高频的条件下工作，而本设计要求的电压范围较小，故采用简单电路串联来作为分压网络就可以达到要求。 1.1.4显示模块方案 方案一：采用数码管显示。数码管只能显示简单的数字，其电路复杂，占用资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。 方案二：采用液晶显示。液晶显示增加了显示信息的可读性，看起来更方便。而QC12864B字符点阵液晶模块有明显的优点：微功耗、尺寸小、显示信息量大、显示清晰、易控制，抗干扰能力强。
https://www.doczj.com/doc/e718081733.html,/st1272/article_22104.html 锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。 在外差式振荡技术中被称为本地振荡（Local Oscillation）的、用于做乘法运算的信号，在锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。锁相放大器能够（从被测量信号中）检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器（LPF）。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。在频率域中，如下图所示。 锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF）的截止频率来确定的。例如，在测量10kHz的信号时，如果使用1mHz的低通滤波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器时的噪声抑制能力。如果换算成为Q值，就相当于5×106。要想真正制造这样高的Q值的带通滤波器，那是不可能的。但是，使用锁相放大器，这就很容易实现了。 如同前面所解说的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器（BPF）时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。 与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实现。由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。 那么，实际的锁相放大器又是什么样的呢？ ■使用PSD（相敏检波器）作为乘法器。
题目： 锁相放大器的原理及应用 姓名： 单位： 学号： 联系方式：
摘要 锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。本文主要介绍了锁相放大器原理，发展过程，基本组成，重要参数和在各方面的应用。 关键词：锁相放大器，噪声，傅立叶变换
一、锁相放大器的定义 锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。 二、锁相放大器的历史 上世纪六十年代美国公司研制出第一台利用模拟电路实现微弱正弦信号测量的锁相放大器，使微弱信号检测技术突破性飞越，为解决大量电子测量做出贡献，在物质表面组份分析以及表面电子能态研宄方面有重大意义。自上世纪后期开始，国内外越来越多的人开始研宄锁相放大器，随着科技的发展，越来越多性能优良的锁相放大器被研发出来，在各个领域应用广泛，极大程度上推动了各个学科的发展，目前，从提高系统的灵敏度、减小噪声带宽、提高检测精度、改善信噪比上都有了很大的进步。近年来，数字电子技术飞速发展，锁相放大器也在这一契机下，出现了模数混合的锁相放大器与数字锁相放大器，这在一定程度上弥补了由于物理器件造成的模拟锁相放大器的缺点，极大改善了性能，提升了研究层次与扩大了应用范围。国外相较于国内而言，起步要早一些，己研发出一系列锁相放大器。美国公司、美国公司是行业的龙头企业，它们所研制的模拟型：、和数字型：、、、均已有较成熟的发展与应用。其中公司是世界范围内数字锁相放大器研制的佼佼者，该公司的产品在到的频率带宽内可测，具有自动获取、自动补偿功能，具有谐波抑制功能、度的相位分辨率和大于的动态保留，时间常数位从到可调，它的数字信号处理设计使它具有很大的动态存储，这就减少了使用带通滤波器时带进的噪声以及系统的不稳定性。就国内而言，南京大学唐鸿宾等对锁相放大器的研宄起步较早，研发出了系列锁相放大器，该校微弱信号检测中心顺势
中英译文翻译 英文：High Speed Digital Hybrid PLL Frequency Synthesizer 译文：高速数字混合锁相环频率合成器
To get the high-speed, it is necessary to prepare the precise synchronization of the complicated design. In 2001, H. G. Ryu proposed a simplified structure of the DDFS (direct digital frequency synthesizer)-driven PLL for the high switching speed [2]. However, there is a problem that the speed of the whole system is limited by PLL. Y. Fouzar proposed a PLL frequency synthesizer of dual loop configuration using frequency-to-voltage converter (FVC) [3]. It has a fast switching speed by the PD (phase detector), FVC using output signal of VCO and the proposed coarse tuning controller. However, H/W complexity is increased for the high switching speed. Also, it shows the fast switching characteristic only when the FVC works well. Another method is pre-tuning one which is called DH-PLL in this study [4]. It has very high speed switching property, but H/W complexity and power consumption are increased due to digital look-up table (DLT) which is usually implemented by the ROM including the transfer characteristic of VCO(voltage controlled oscillator). For this reason, this paper proposes a timing synchronization circuit for the rapid frequency synthesis and a very simple DLT replacement digital logic block instead of the complex ROM type DLT for high speed switching and low power consumption. Also, the requisite condition is solved in the proposed method. The fast switching operation at every the frequency synthesis process is verified by the computer circuit simulation. II.DH-PLL synthesizer As shown in Fig.1, the open-loop synthesizer is a direct frequency synthesis type that VCO 要得到高运行速度,事先做好复杂设计的精确同步是必要的。 2001年,H.G.Ryu提出了一种简化结构的直接数字频率合成器(DDFS)驱动的高转换速度锁相环【2】。 但是,有一个问题,整个系统的速度是受锁相环限制的。 Y.Fouzar提出了一种使用频率—电压转换器(FVC)具有双重回路结构的锁相环频率合成器【3】。 因为鉴相器(PD)， FVC利用了压控振荡器的输出信号和我们提出的粗调控制器，所以它具有快速切换速度。 但是,因为有高速系统转换速度使得H / W的复杂性增加了。 另外，结果表明只有FVC工作状态良好时系统才有较高切换速度。 另一种方法是做预先调整也就是本项研究中的DH-PLL 【4】。 它具有高速切换的特性，但是因为数字查找表(DLT)的原因，H / W复杂度和功耗明显增大了，因为DLT 经常被ROM执行，DLT中包含压控振荡器(VCO)的传输特性。 介于以上原因, 为得到较高切换速度和低功耗，本文提出了一种新的快速定时同步频率合成电路，用一个非常简单的DLT替代数字逻辑块，而不用复杂的ROM型(DLT)。 同时,在该方法中所需必要条件也解决了，频率合成过程的高切换速度在计算机电路仿真中已经得到验证了。 2.DH-PLL合成器 图1中所示的开环频率合成技术是一种直接频率合成方式，在频率控
专科模板-简易锁相放大器设计-终稿
电子科技大学 毕业论文简易锁相放大器设计 指导教师：张萍职称：讲师 学生姓名：文国江专业: 电子信息工程班级：英特尔班学号：V08024843152 2010年 06 月 01 日 电子科技大学成教院制
目录 第一章选题背景 1.1 背景说明 (3) 1.2 选题依据 (3) 1.3 本文工作 (4) 第二章锁相放大器的原理 (5) 第三章研究与分析 (8) 3.1 参考信号产生的方法比较与选择 (8) 3.2 前端放大器的设计 (8) 3.3 移相方法比较与选择 (8) 3.4 相敏检波器的方法比较与选择 (8) 第四章系统设计 (10) 4.1 总体设计 (10) 4.2 硬件设计 (11) 4.2.1 前置放大器的设计 (11) 4.2.2 移相电路的设计 (12) 4.2.3 相敏检波的设计 (13) 4.2.4 低通滤波器的设计 (14) 4.3 软件设计 (15) 第五章系统测试 (16) 第六章附录 (18) 总结 (26) 致谢 (27) 参考文献 (28)
第一章选题背景 1.1背景说明 1962年美国 EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身 )的第一台锁相放大器 (Lock-in Amplifier，简称 LIA)的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，极大地推动了基础科学和工程技术的发展。目前，微弱信号检测技术和仪器的不断进步，已经在很多科学和技术领域中得到广泛的应用，未来科学研究不仅对微弱信号检测技术提出更高的要求，同时新的科学技术发展反过来促进了微弱信号检测新原理和新方法的诞生。 早期的 LIA是由模拟电路实现的，随着数字技术的发展，出现了模拟与数字混合的 LIA，这种LIA只是在信号输入通道，参考信号通道和输出通道采用了数字滤波器来抑制噪声，或者在模拟锁相放大器（简称 ALIA）的基础上多了一些模数转换（ ADC）、数模转换（ DAC）和各种通用数字接口功能，可以实现由计算机控制、监视和显示等辅助功能，但其核心相敏检波器 (PSD)或解调器仍是采用模拟电子技术实现的，本质上也是 ALIA。直到相敏检波器或解调器用数字信号处理的方式实现后，就出现了数字锁相放大器（简称 DLIA），DLIA 比 ALIA有许多突出的优点而倍受青睐，成为现在微弱信号检测研究的热点，但是在一些特殊的场合中， ALIA仍然发挥着 DLIA不可替代的作用。 1.2选题依据 微弱信号检测技术是一门新兴的技术科学，它运用近年来迅速发展起来的电子学、信息论和物理学方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计特性及其差别，采用一系列的信号处理方法，达到检测被背景噪声覆盖的微弱信号。运用微弱信号检测技术可以测量到传统观念认为不能测量的微弱信号，如弱光、小位移、微震动、微温差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流等，使微弱信号测量精度得到很大的提高。 “微弱信号"不仅意味着信号的幅度小，而且主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。为了检测被噪声覆盖的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，分析噪声产生的原因与规律，研究被测信号的特点、相关性及噪声的统计特性，以寻造出从背景噪声中检测出有用信号的方法。微弱信号检测技术大量应用在光谱学、物理、化学、天文、光通讯、雷达、声纳、以及生物医学工程领域。目前的微弱信号检测的方法有窄带滤波、取样积分、
如何测量被噪声埋没了的信号？ 在测量各种物理量（温度、加速度等）时，用传感器将其变换成为电信号，然后输入到分析仪器（测量仪器）中去。但是，仅想获得必要的信号是很难做到的。通常是连不必要的信号（也就是噪声）也一起被测量了。在各种情况下，噪声都有可能混进来。 噪声并不仅限于电信号，也有包含在被测量的物理量中的情况。另外，根据不同场合，也出现噪声强度远远高出所需要的目的信号电平的情况。想要测量的信号越微弱，那么噪声就相对地越大。 在这里，让我们来看一下用交流电压表来测量不同电平的1kHz 的正弦波信号的结果。 在信号上叠加了0.1Vmrs 的白噪声。“毫伏计”是一般的交流电压表，“锁相放大器”是一种专门测量微小信号的（特殊的）交流电压表。 信号电平 （正弦波信号） 波 形 （叠加了噪声的波形） 毫伏计的 测量结果 锁相放大器的 测量结果 1Vrms 1Vrms 0.999Vrms 100mVrms 140mVrms 99mVrms
1mVrms 105mVrms 1.01mVrms 0.1mVrms 105mVrms 0.107mVrms 毫伏计也同时测量噪声。即使用数字万用表（DMM ）来测量，也会得到与毫伏计相同的测量结果。 但锁相放大器，能在比目的信号（1kHz 正弦波）强1000倍的噪声中把目的信号几乎准确无误地检测出来。 在测量埋没在噪声中的信号时，使用锁相放大器最为合适。 为什么锁相放大器具有那么强的抗噪声能力？ 锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因为很好地利用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间在性质上的差别。 在这里，我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质，一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力。 噪声的性质 ■平坦的频谱 在宽阔的频率范围内，该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。
信息科学与技术学院 通信原理课程设计 课题名称：数字频带通信系统的建模与设计学生姓名：王太程2011508199 学院：信息科学与技术学院 专业年级：电子信息工程2011级 指导教师：钟福如讲师 完成日期：二○一四年七月十日
目录 第0章引言 (2) 第1章 (4) 1.1 设计任务要求及方案论证 (4) 1.1.1 任务要求 (4) 1.1.2 锁相环频率合成的原理 (4) 1.1.3锁相环频率的合成与应用(调制与解调) (6) 1.1.4锁相环在调制中的应用 (7) 1.1.5 锁相环在解调中的应用 (8) 1.1.6 锁相环在频率合成电路中的应用 (9) 1.2 仿真工具SYSTEMVIEW简介 (9) 1.3 电路的设计与调试 (10) 1.3.1 三环式锁相环频率合成电路 (10) 第2章 (12) 2.1 仿真的结果及分析 (12) 第3章 (14) 参考文献 (15)
第0章引言 锁相环（Phase Lock Loop），简称PLL，是一种利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号反馈控制电路。他的被控制量是相位，被控对象是压控振荡器。如果锁相环路中压控振荡器的输出信号频率发生变化，则输入到相位比较器的信号相位θv(t)和θR(t)必然会不同，使相位比较器输出一个与相位误差成比例的误差电压Vd(t)，经环路滤波器输出一个缓慢变化的直流电压Vc(t)，来控制压控振荡器输出信号的相位，使输入和输出相位差减小，直到两信号之间的相位差等于常数。此时，压控振荡器的输出信号频率和输入信号频率相等，且环路处于锁定状态。锁相环是构成频率合成器的核心部件。主要由相位比较器(Phase Discriminator)、压控振荡器(Voltage Control Oscillator)、环路滤波器(Loop Filter)组成。 锁相环路是一个能跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。锁相环路系统在各个领域都有很多的用途，发展将势不可挡。锁相环路在宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控、电视接收机、电动机转速控制、自动跟踪调谐等领域都有更好的发展。 频率合成是电子系统中的关键技术，是决定电子系统性能的主要设备，随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，频率合成技术提出了越来越高的要求。频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精确度的标准频率经过一定变换，产生同样高稳定度和精确度的大量离散频率的技术。 锁相环是一个相位反馈控制系统，在数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的；此外，环路组成部件也全用数字电路实现，故而这种锁相环就称之为数字锁相环(Digital Phase Lock Loop)。 传统的锁相环由模拟电路实现，而数字锁相环与传统的模拟电路实现的PLL相比，具有精度高且不受温度和电压影响，环路带宽和中心频率编程可调，易于构建高阶锁相环等优点，并且应用在数字系统中时，不需A/D及D/A转换。随着通讯技术、集成电路技术的飞速发展和系统芯片(SoC)的深入研究，数字锁相环必然会在其中得到更为广泛的
研究与设计 电 子 测 量 技 术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ Ｔ ＥＣＨＮＯＬＯＧＹ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：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐ ｌｉｆｉｅｒ 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 ｄｏｍａｉｎｓｐ ｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（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 ａｍｐ ｌｉｆｉｅｒ ｉｓ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｌｏｗ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｔｈｅｎ ｔｏ ＡＤＣ．Ｔｈｅｎ ｉｔ ｉｓｐ ｕｔ ｉｎｔｏ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｆｏｒ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ａｆｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ １０００ｔｉｍｅｓ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ７００ｄｂ ＳＮＲ，ａｎｄｓｙ ｓｔｅｍ ｓｉｚｅ ｉｓ １１ｃｍｘ５．５ｃｍ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｃｋ－ｉｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＡＤ６３０；ＴＨｚ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ 本文于２ ０１２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
2012年15省赛区大学生电子设计TI 杯竞赛试题 参赛注意事项 （1）2012年8月5日8:00竞赛正式开始。本科组参赛队只能在A 、B 、C 、D 、E 题目中任选一 题；高职高专组参赛队原则上在F 、G 、H 题中任选一题，也可以选择其他题目。 （2）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的 有效证件（如学生证）随时备查。 （3）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。 （4）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制作， 不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。 （5）2012年8月7日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。 微弱信号检测装置（A 题） 【本科组】 一、任务 设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。为便于测评比较，统一规定显示峰值。整个系统的示意图如图1所示。正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav 文件）来产生，通过PC 机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。图中A 、B 、C 、D 和E 分别为五个测试端点。 图1 微弱信号检测装置示意图 二、要求 1. 基本要求 （1）噪声源输出V N 的均方根电压值固定为1V ±0.1V ；加法器的输出V C =V S +V N ，带宽大于1MHz ；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。 （2）微弱信号检测电路的输入阻抗R i ≥1 M Ω。 （3）当输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz 、幅度峰峰值在200mV ~ 2V 范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 2. 发挥部分
锁相放大器实验报告BY陈群 浙江师范大学实验报告实验名称锁相放大实验班级物理071 姓名陈群学号 07180116 同组人刘懿钧实验日期 09/12/1 室温气温锁相放大实验 摘要: 锁相放大器(Lock-in amplifier，LIA)自问世以来，在微弱信号检测方面显示 出优秀的性能，它能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高,在科学 研究的各个领域得到了广泛的应用。它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。 因此，学生掌握锁相放大技术的原理与应用具有重要的意义。关键词: 锁相放大器微弱信号 PSD信号 引言: 在进展一日千里的现代科技领域中，精密量测技术的发展对于近代工业有关键 性的影响。当我们研究的系统日趋庞大，交互作用复杂，但所欲了解的现象却越来越精细时，如何在一大堆讯号中获得我们真正想要的信息便成为一个重要的课题。一般的线性放大器可以将微弱的电子讯号放大，但若我们所要的信号中伴随着噪声信号，则两者都会一起放大，亦即此伴随的噪声无法滤除。尤其当噪声强度远大于所要的信号时，即必须藉助特殊的放大器以同时放大讯号并滤去噪声。锁相放大器是一种能测量极微弱的连续周期性信号的仪器。这些微弱信号可以小至数奈伏特(nV)，甚至隐藏在大它数千倍的噪声当中，亦能精确的测得。连续周期性信号与噪声不同之处，在于前者具有固定的频率及相位，
后者则杂乱无章。锁相放大器便是利用所谓”相位灵敏侦测(phase-sensitive detection，PSD)” 的技术以取得具有特定频率与相位的信号，而不同于此频率 的噪声则被抑制下来，使输出讯号不受噪声影响。 实验方案: 实验原理 锁相放大器的基本结构如图所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)等。 信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的平台，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。 参考通道对参考输入进行放大和衰减，以适应相敏检测器对幅度的要求。参考通道的另一个重要功能是对参考输入进行移相处理，以使各种不同的相移信号的检测结果达到最佳。 锁相放大器的核心部件是PSD，它以参考信号r(t)为基准，对有用信号x(t)进行相敏检测，从而实现频谱迁移过程。将x(t)的频谱由ω=ω0处，再经LPF滤除噪声，输出直流信号，其幅度与两路输入信号幅度及它们的相位有关。其输出 u0(t)对x(t)的幅度和相位都敏感，这样就达到了既鉴幅又鉴相的目的。因为LPF 的频带可以做得很窄，所以可使锁相放大器达到较大的SNIR。下图为不同相位时 相敏检测器的输出波形
锁相放大器实验 锁相放大器实验（Lock-in amplifier）,简称LIA。它是一个以相关器为核心的检测微弱信号仪器，它能在强噪声情况下检测微弱正弦的幅度和相位。学习本实验的目的是使同学了解锁相放大器的基本组成,掌握锁相放大器的正确使用方法。 一、锁相放大器的基本组成 结构框图如图1所示。它有四个主要部分组成:信号通道、参考通道、相关器（即相关检测器）和直流放大器。 图1 锁相放大器的基本结构框架 1.信号通道 信号通道包括:低噪音前置放大器、带通滤波器及可变增益交流放大器。 前置放大器用于对微弱信号的放大，主要指标是低噪音及一定的增益（100～1000倍）。 可变增益放大器是信号放大的主要部件，它必须有很宽的增益调节范围，以适应不同的信号的需要。例如，当输入信号幅度为10nV，而输出电表的满刻度为10V时，则仪器总增益为10V/10nV =109若直流放大器增益为10倍，前置放增益为103，则交流放大器的增益达105。 带通滤波器是任何一个锁相放大器中必须设置的部件，它的作用是对混在信号中的噪音进行滤波，尽量排除带外噪音。这样不仅可以避免PSD（相敏检波器）过载，而且可以进一步增加PSD输出信噪比，以确保微弱信号的精确测量。常用的带通滤波器有下列几种：
图2为一个高通滤波器和一个低通波滤 波器组成的带通滤波器，其滤波器的中心频 率f0及带宽B由高低滤波器的截止频率f c1 决定和f c2决定。锁相放大器中一般设置几种 截止频率，从而根据被测信号的频率来选择 合适的频率f0及带宽B。但是带宽滤波器带 宽不能过窄，否则，由于温度、电源电压波 动使信号频谱离开带通滤波器的通频带，使 输出下降。 为了消除电源50Hz的干扰，在信号通道 中常插入组带滤波器。 （2）同步外差技术 上述高低通滤波器的主要缺点是随着被 测信号频率的改变，高低通滤波器的参数也 要改变，高低通滤波器的参数也要改变，应 用很不方便。为此，要采用类似于收音机的 同步外差技术，原理框图如图3所示。这是一种单外差技术，PSD1实际上是一个混频器, 图2 高低通频滤波器原理，具有频率f0信号经放大滤波后进入混频PSD,其输出为和频项(f i+2f0)及差频f i,再经具有中心频率为f i带通滤波后,输出变为中频信号f i ， (幅度仍与被测信号的幅度成正比)再后,通过PSD2完成相敏检波后,得到解调输出U0,达到了对信号幅度的测量。外差方式的优点是采用固定中频f i 的带通滤波器,因而对不同被测信号频率均能适用;其次,由于采用固定中频带通滤波器,故滤波器的带宽及形状可以专门设计,所 以本电路具有很强的抑制噪音的能力。 图 3 同步外差技术原理框图 （3）同步积分技术