摘要：針對目前成品鎖相放大器價格昂貴且體積大，傳統窄帶濾波法性能和靈活性差的特點，設計了基于鎖相放大器原理的微弱信號檢測電路。本電路采用單片機作為激勵信號和參考信號的發生器，利用帶關斷引腳的運放實現相敏檢波器，整個電路僅使用了5個運算放大器和一些阻容元件。實驗表明，本電路能實現了從信噪比為0.1的被測信號中提取有用信號幅值的功能，測量誤差控制在5%以內。由于本電路有實現簡單和成本低的特點，稍加修改后可作為模塊電路用到其他測量系統當中。
在科學研究和工程實踐中，對于微弱信號的檢測有如下2種常見的方法：
1)窄帶濾波。即將帶噪聲的微弱信號濾波，根據需要的輸出信噪比選擇合適的通頻帶帶寬。這種方法由于實現起來簡單且成本比較低，因此得到了廣泛的應用。但是為了得到高的信噪，要求濾波器的通頻帶很窄，這可能存在中心頻率不穩定等問題，很難實現，而且這種方法只能測量單個頻點的信號，靈活性較差。
2)相關檢測。相關檢測技術主要利用有用信號的相關性，以鎖相放大器為例，將待測信號和參考信號相乘，由于參考信號和待測信號有相關性相關性，但和噪聲卻沒有相關性，因而對相乘后的信號進行濾波后會得到一個直流分量，該信號中包含了待測信號的幅值和相位信息。
由于與窄帶濾波的方法相比，鎖相放大方法可以實現大得多的信噪比，因而在需要高度精密測量的領域得到了廣泛的應用。然而由于鎖相放大器是一種十分昂貴的儀器，在一般的工程測量領域應用的并不多，目前窄帶濾波的方法依然是一般工程測量領域的主流方法。為了測量某被測網絡的特性，本文利用鎖相放大器的原理，設計了一種微弱信號檢測電路用以代替傳統的窄帶濾波方法，這種電路具有性能好、成本低的特點，并且可以直接作為模塊電路集成到實際系統當中。
1 總體設計
1.1 系統需求
如圖1所示，將一個激勵信號輸入到被測網絡中，通過測量從被測網絡輸出的信號，我們可以得到被測網絡的一系列特征信息。激勵信號的頻率范圍為500 Hz到2 kHz。由于被測網絡的作用，輸出的被測信號中有用信號被噪聲所淹沒，其中噪聲的峰峰值最大為1 V，其的功率譜在100 Hz到1 MHz內近似平坦分布;而有用信號的峰峰值在100 mV到200 mV之間。為了準確的獲取被測網絡的特性，要求微弱信號檢測電路從噪聲中測量出有用信號的峰峰值，對有用信號的測量精度要求在5%以內。
1.2 系統組成
系統的總體結構圖如圖2所示，本系統基于正交矢量鎖相放大器的原理實現，其中包含了兩路相敏檢波器和兩路低通濾波器。單片機產生兩路相互正交的參考信號，由于被測信號是由單片機產生的激勵信號通過被測網絡后得到的信號，因此可以做到被測信號與參考信號同頻。系統中其余各部分的功能如下：
1)信號通道。信號通道主要是對被測信號進行預濾波和交流放大等處理。預濾波提高了信號的信噪比，減小了對相敏檢波器的動態容限的要求，交流放大使得信號在進入相敏檢波器時有合適的幅值。
2)相敏檢波器。相敏檢波器對被測信號和參考信號進行乘法運算，并得到它們和頻與差頻信號。由于被測信號和參考信號通頻，和頻信號為直流信號。差頻信號通過后面的低通濾波器濾除。
3)低通濾波器。低通濾波器濾除和頻信號以及噪聲信號，提到輸出直流信號的信噪比。
4)單片機。單片機產生參考信號以及激勵信號，并通過AD轉換器采樣低通濾波器輸出的兩路信號，計算后得到被測信號的幅值和相位，最終通過LCD顯示測量結果。
