2 2 2 2 Ξ 西 安 工 程 科 技 学 院 学 报 Jou rnal of X i’an U n iversity of Eng ineering Science and T echno logy 　第 16 卷第 4 期 (总 64 期) 2002 年 12 月 V o l. 16,N o. 4 (Sum N o. 64) 　 　　文章编号: 1671 850X (2002) 04 0322 04 微弱信号的双锁相检测电路研究 任小玲1, 许世军2 (1. 西安工程科技学院 信息控制系, 陕西 西安　710048; 2. 西安工业学院 数理系, 陕西 西安　710032) 摘要: 在薄膜厚度监控系统的光电检测中, 针对信号特征, 提出了微弱信号的双锁相检测思 想, 并研制了一套多级放大器和双锁相放大器. 其输出信噪比≥500, 静态漂移率≤7% h. 膜厚监控测试实验肯定了该思想和电路设计. 关键词: 四光路; 锁相放大器; 信噪比; 漂移率 中图分类号: TM 131; TH 74　　文献标识码: A 　 在光电极值法 1 监测光学薄膜厚度的研究中, 曾提出四光路透镜成像系统的光电设计2 , 但该设 计思想的实现必须依赖信号处理电路对微弱光电信号的高精度检测. 本研究根据四光路信号特征, 提 出了微弱信号的双锁相检测思想, 设计了多级放大器和双锁相放大器用于两个信号的检测, 并采取有 效抗干扰措施, 为数据采集系统提供了比传统检测要高的信噪比、高的精度和高漂移稳定性信号. 电 路调试表明两路输出信号的信噪比≥500, 静态漂移率≤7% h, 便于数字采集、数据处理. 膜厚监控 测试实验将膜厚监控的稳定性由 1. 25% 的膜厚标准差提高到 0. 72% 2 , 肯定了该设计. 1　电路系统结构 1. 1　输入信号特征 电路输入信号 (见图 1) 是: 两个硅光电池分别输出的 33 H z 测试路和 383 H z 参考路解调信号; 光 电倍增管输出的含有膜厚信息、光学系统不确定性信息的 33 H z 测试信号以及仅含有光学系统不确 定性信息的 383 H z 参考信号. 采用DC6V 30W 光源时, 33 H z 测试路解调信号是近似方波信号, 输出 , 其低电平上有明显的 383 H z 干扰 (方波V PP≈ 350 mV , 干扰V PP≈ 10 mV ) ; 383 H z 参 阻抗约为 20 , 含有 33 H z 干扰 (脉冲V PP≈ 200 mV , 干扰V PP≈ 考路解调信号是近似脉冲信号, 输出阻抗约为 20 , 测试信号V PP≈ 8mV , 参考信号V PP 20 mV ) ; 光电倍增管“测试信号+ 参考信号”输出阻抗约为 3M ≈ 0. 6mV , 并含有高频干扰 (上千 H z) 和低频干扰 (1 H z 左右). 电路要求测试、参考信号输出电压在 ±5 V 之内, 信噪比≥300, 小的静态漂移 (≤10% 1. 2　双锁相检电路的结构、思想 h). 锁相放大实际上是对交变信号进行相敏检波, 是利用与被测信号有同频率的锁相关系的解调信 17 09 收稿日期: 2002 基金项目: 兵器工业部科研基金资助项目 (229682 作者简介: 任小玲 (1969 3). ) , 女, 陕西省蒲城县人, 西安工程科技学院讲师, 西安理工大学硕士研究生, 从事信息 处理方面的研究. 

第 4 期　　　　　　　　　　　　微弱信号的双锁相检测电路研究 323 号作比较 (相乘) , 只对被测信号本身和与解调信号同频或倍频、同相的噪声分量有响应. 因此, 能大幅 度地抑制噪声, 提高探测灵敏度和信噪比, 是微弱信号测量的有效技术, 由其相关函数3 可知互相关 检测比自相关检测抑制噪声能力强. 对于光电倍增管输出的含有膜厚信息、光学系统不确定性信息的测试信号曾经采用了单锁相检 测技术, 但是光学系统固有的不确定性干扰无法消除, 并且引入了电路系统的非线性干扰和热噪声. 本研究增加了仅含有光学系统不确定性信息的 383 H z 参考信号及其解调信号, 相应地提出相互对称 的参考路互相关检测电路和测试路互相关检测电路, 即双锁相检测电路 (图 1). 采用抗干扰技术和模 拟电路之后的“测试信号÷参考信号”数字相除技术, 可以最大限度地消除光学系统固有的不确定性 干扰以及电路系统的非线性干扰等. 此电路系统由多级放大电路和互相关双锁相电路构成. 2　多级放大电路 图 1　电路系统结构框图 采用三级放大电路, 场效应管前置放大电路, 反向比例放大器为次级、可调放大电路. 2. 1　信号的前置放大电路 光电探测器对于前置放大有较高要求: 放大器的输入阻抗与光电探测器的输出阻抗相匹配, 实现 功率最大传输; 放大器工作在最佳源电阻状态下, 输出端可获得最大的信噪比. 本研究采用 GDB 240 型倍增 11 级光电倍增管是高阻抗输出 (3 M ) , 因而信号 路与解调路的前置放大器不一样. 场效应管是电压控制器件, 其栅源、栅漏电阻高达 1 000 , 而电容 一般为几十 p F, 是高输入阻抗, 同时场效应管噪声低, 抗辐射能力强, 故采用场效应管作为光电倍增 管输出信号的前置放大器. 而对两路由硅光电池输出的解调信号可采用一般的比例放大器作前置放 大电路 (也可作增益可调带通滤波电路). ) , 而 2CR 系列硅光电池内阻较低 (约 20 (R 1 + R 2) ) E D - U i = - (gm 选取 3DJ 7 系列N 沟道结型场效应晶体管来构造光电倍增管的前置放大电路. 首先通过负反馈 满足输入输出阻抗匹配, 再校核增益、带宽和噪声指标. 图 2 是共源极放大电路, 其静态工作点为 V GS V P) 2 = 0. 61 mA ; 其电压增益为A V = = (R 1 V P) (为了减少第二级放大 V P) (1 - V GS U 0 器对噪声的贡献, 前置放大器的电压增益不可太低, 一般设计为 10 倍左右) ; 输入和输出电阻分别为 ri = R G + (R 1 2. 2　 多级放大电路 IDR S = - 1. 1V , ID = ID SS (1 - V GS (2IDSS (1 + gmR s) )R D = 12. 1, 其中 g m = - , ro = R D = 10 k . R 2) = 3. 04 M 采用反向比例放大器实现次级放大和增益可调三级放大电路 (见图 3). 该电路中负反馈可以改 变放大器的输入阻抗及频带宽度, 其闭环电压增益为 A f = - R f R f, 平衡电阻 R P = R f ∥ R r 是用来保证运放的两个输入端处于平衡的工作状态, 避免输入偏流产生附加 的差动输入电压, 因而阻值等于反向输入端对地电阻. R r, 闭环带宽为 f FC = f BWA OR r 3　 双锁相放大器 锁相放大器具有很强的噪声抑制能力 (等效噪声带宽为 10- 3～ 4 × 10- 4H z) , 在噪声大于信号几 

423 　　　　　　 西 安 工 程 科 技 学 院 学 报　　　　　　　　第 16 卷 倍的情况下仍能正常工作; 其总增益可达 1011 (220 dB ) , 并且是把交流输入信号放大后变为直流输 出. 双锁相放大器是 33 H z 和 383 H z 双路信号的锁相放大器, 其核心是移相器、乘法器和低通滤波器. 当然, 在锁相工作之前对 33 H z 和 383 H z 混合信号要进行分频滤波. 为提高信噪比, 使带通滤波器的 通频带更理想, 采用了结构和器件对称的两个三级相联的二阶带通滤波器. 　　 图 2　 信号的前置放大电路 　　 图 3　 反向比例放大器 　　　　　　　　　　 图 4　 移相电路 　　　 3. 1　 锁相电路移相器、方波发生器的设计 移相器是采用了 RC 移相原理, 即在运放的正相端接一个 RC 电路, 输入一信号 (设相位为 0) 后, R tC t) (见 、C t = 由可变电阻控制, 当 R F = R f 时, 相移量 、C t = 4. 7 ) = 178. 4°; 当 f = 383 H z、R t = 50 k ) = 2tan - 1 ( F 时, ( ( 会输出相位为 的波形. 相移量 图 4). 当 f = 33 H z、R t = 100 k 0. 47 F 时, ( ) = 179. 9°. 因此采用两级移相电路就可实现 0°～ 360°的相位可调. 方波发生器是将输入的正弦信号转变成一个单一幅度的方波输出, 将反向比例放大器的反馈电 Im ax 阻更换为 2CW 53 型双稳压管 ( Im ax = 41 mA , U = 4. 0 V ～ 5. 8 V ) 即可实现. 当输入电阻R ≥ E o = 15 V 3. 2　相关器的设计 时, 输出其稳压值U = 4. 0 V ～ 5. 8V. 41 mA = 366 相关器由开关式模拟乘法器和低通滤波器构成. 开关式模拟乘法器 (见图 5a) 采用 3DJ 7H 型场效 应管作为模拟开关, 其直流输出的大小与输入信号成正比, 其正负极性与同向反向相对应. 低通滤波 器采用无限增益的多路反馈高阶低通的巴特沃斯型滤波器 (由 3 个一阶低通和 1 个二阶低通联结成 五阶低通滤波器) , 设计的截止频率为 2 H z (见图 5b). 4　抗干扰设计及测试结论 4. 1　抗干扰措施 电路的设计制作采取如下抗干扰措施: (1) 专门制作一个用金属屏蔽盒封装的电源, 将其与锁 相、放大电路分别置于电路箱的两侧, 以避免器件之间电气干扰和易于散热. (2) 将锁相电路和放大 电路分别集中安排 (各属于一块电路板) , 避免后级对前级干扰. (3) 锁相电路的四路信号通道采取平 行对称布置设计, 以减小干扰; 选用电气噪声较小的金属膜电阻和高性能屏蔽信号线; 加宽电源线, 并 使其与地线的走向与数据传输方向一致. 数据采集系统良好接地, 会抑制数据采集系统和信号处理电路系统的大部分干扰. 针对本系统的 低频工作状况, 采用粗地线并联一点接地法 (将数据采集卡地、电路板地和电路电源地各自采用等粗、 等长线并联一点接地, 并且各子系统地仅在电源供电处相接一点入地) , 可以抑制共接地线阻抗噪声, 避免数字信号耦合到模拟信号上. 4. 2　测试实验结论 电路调试完成时测试输出和参考输出的信噪比分别约为 800, 500, 两者的静态漂移率≤7% h, 已达到设计要求. 图 6 是静态参考输出和测试输出在双踪示波器上相同高增益档下的显示: 含有高频 干扰、非常低的低频干扰、差模干扰和共模干扰; 参考信号和测试信号含有光源、光电倍增管及其供电 源, 以及光纤、单色仪、光电倍增管和电路系统共同的工作稳定性信息; 测试、参考信号的干扰幅值和 位相几乎相同. 这些信号特征便于后面的数字处理, 各种干扰和不稳定因素很容易被最大限度地消 

第 4 期　　　　　　　　　　　　微弱信号的双锁相检测电路研究 523 除. 如采取防脉冲干扰算法、数字相除等优化算法后, 在膜厚监控测试实验中, 监控稳定性由 1. 25% (膜厚标准差) 显著提高到 0. 72% 2 , 充分肯定了该思想和设计. 　　　　　 (a) 　　　　　　　　　　 (b) 图 5　相关器电路图　　　　　　　　　　　　　　图 6　参考、测试信号示意图 致谢: 本文工作得到西安工业学院韩军副教授、倪原高工的帮助, 在此表示感谢! 参考文献: 1 　M A CL EOD H A. M on ito ring of op tical coatings[J. A pp l O p t, 1981, 20 (1) : 1094. 2 　许世军. 光学薄膜厚度实时监测系统研究[D . 西安: 西安工业学院光电科学与工程系, 2002. 3 　李永敏. 检测仪器电子电路[M . 西安: 西北工业大学出版社, 1996. 78 85. Investiga tion on dua l- lock-pha se detection c ircuit to fa in t signa l R EN X iao ling 1, X U S h i jun 2 (1. D ep t. of A u tom ation & Info rm ation T echno logy, XAU EST , X i’an 710048, Ch ina; 2. D ep t. of M ath. & Phy. , X i’an In stitu te of T echno logy, X i’an 710032, Ch ina) the m u lti op tical p ath, an idea of dual Abstract: In the op toelectron ic detection of th in the characteristics of quar p ropo sed, no ise ratio s of tw o ou tp u t signals are equal to o r m o re than 500, less than 7% design are reasonab le. Key words: quar h. T he exp erim en ts of m on ito ring th in stage am p lifier and the dual p hase am p lifier; signal op tical p ath; lock p hase detection to fain t signal p hase am p lifier are develop ed. T he signal film th ickness m on ito ring con tro l system , based on is to the static d rift ratio s are equal to o r the idea and the film th ickness show that lock lock to no ise ratio; d rift ratio