锁相电路在分析仪器中的应用
凌海
摘 要 介绍了锁相电路的工作原理及应用方法。该电路利用锁相环来进行相敏解调，完成交流信号的检波。锁相电路抗干扰性能好，通用性强，在分析仪器中主要是作为同步滤波器，恢复埋在噪声中的信号。列举了若干应用实例。<BR> 关键词 锁相环 相敏解调 滤波<BR> 分类号：TM
1 前 言
锁相电路是一种应用范围十分广泛的电路，目前已在通信、电视、测量仪器等领域大量采用。该电路可以对深埋在噪声中的微弱交流信号进行有效放大。早期的许多分析仪器都是先把交流测量信号放大到一定幅度，然后采用一种非相敏的全波整流电路将信号直接转换成脉动直流信号［1］，再进一步处理变成直流信号输出或显示。这一方法虽然简单，但抗干扰性能较差。随着对仪器仪表精度、稳定性等方面的要求不断提高，这种处理方法已不能满足实际应用的需要。锁相电路则可将与测量信号的频率、相位都不同的噪声电压滤除或衰减，提高整机的信噪比，增强仪器的抗干扰性能。
2 工作原理
锁相电路用途很广，在分析仪器中主要是作为同步滤波器，恢复埋在噪声中的信号， 仪器的测量信号经前置放大后，进入带通滤波器(band pass filter)，先由滤波器滤掉大部分与测量信号固有频率不同的干扰信号，然后由锁相环(phase-locked loop)输出的方波控制在相敏解调器(phase sensitive demodulator)内的一对模拟开关，把经调制的交流测量信号解调成脉动直流信号，最后通过低通滤波器(low pass filter)，将包含在测量信号中的噪声成分用平均值方法滤除，以进一步提高信噪比。<BR> 至此，仪器对传感器产生的交流信号的主要处理已基本完成。在实际应用中，视各仪器的具体情况可增加其他功能电路，如线性化、报警、电压/电流转换电路等。
3 电路设计
在图1电路中，前置放大器随仪器测量原理的不同而差异较大，这里不一一介绍。下面介绍具有一定通用性的电路部分。<BR>3.1 带通滤波电路<BR> 带通滤波器的作用是选出有用信号而抑制无用信号，电路图如图2所示。
图2 带通滤波电路
该电路为二阶带通有源滤波器。调节电位器RP1可改变电路的中心频率［2］。对于频率偏离中心频率的干扰信号，其放大倍数会降低，即得到抑制。在确定设计参数时，既要保证电路的选频特性，又要考虑稳定性，故Q值不宜太大，对于中心频率只有几十赫兹的交流信号，Q值一般在10左右。<BR>3.2 锁相环电路<BR> 该电路可产生一对相位既稳定又可调的方波，该组方波作为解调信号加到相敏解调器上，其产生波形的电路如图3所示。
图3 锁相环波形发生电路
在图的左边，由运放IC1和C1、N沟道场效应管T1、T2、三极管T3组成的电路将参考信号转变成锯齿波。具体工作过程如下：在参考信号的正半周，T3导通，T1、T2栅极电位为负，T1、T2截止，C1充电；在参考信号的负半周，T3截止，T1、T2导通，C1为放电过程。通过周期性地充放电产生锯齿波。IC2为比较器，两个比较电压分别为锯齿波和可调直流电位。调节RP1可改变比较器的门槛电压，从而改变比较器输出矩形波的占空比。<BR> 锁相环采用一个集成芯片CD4046，它由一个压控振荡器(VCO)、两个鉴相器组成［3］，本电路只用一个鉴相器(PD2)。IC2将一矩形波输出到锁相环中，VCO就产生一个占空比为0.5的方波，这个方波又接至PD2的输入端，PD2将IC2输出的矩形波与VCO输出方波的相位加以比较，产生一个相应于两信号相位差的误差电压。该电压控制VCO，从而实现锁相。<BR> PD2为边沿型触发鉴相器，调节电位器RP1可改变IC2输出波形的占空比，最终改变VCO输出方波相对于参考信号的相位，所以该电路又可称为移相器。<BR>3.3 相敏解调器(PSD)<BR> 解调器的任务是把经过带通滤波器BPF的交流测量信号转化成直流信号，参见图4。
图4 相敏解调器电路
该电路为全波相敏整流。交流信号经过IC1反相器分成两路，分别加在由场效应管组成的两只模拟开关的一端。由锁相环(PLL)输出的两个相位相反的方波使T1、T2交替导通，两个正弦波分别切去一个半波，两个剩余半波用由运放IC2构成的加法器相加，得到脉动直流信号，从而实现解调。测量信号与解调方波的相互关系参见图5。
图5 测量信号与解调方波的关系
解调后的波形及幅值与锁相环输出波形的相位有着密切关系。图5中，输出波形①是锁相环相位与测量信号相差为0时的波形。当存在相位差Φ时，生成的波形如②，其滤波后的幅值将明显小于波形①，可见调节RP1可使测量信号完全解调出来，而抑制其他非同相的干扰信号。<BR>3.4 低通滤波器(LPF)<BR> 由解调器输出的电压信号含有较大的脉动成分，必须经图6所示的电路滤除。
图6 低通滤波电路
该电路十分简单，实际就是一个积分器。适当选择R、C参数，以免时间参数过小，造成线性不好，或者过大，影响仪器整机的响应时间。
4 应用举例
要将锁相电路应用到分析仪器上，最关键的问题就在于如何对信号加以调制，如何产生参考信号。有了参考信号，锁相环就可以输出相应的解调控制信号，最终完成调制信号的解调。而产生参考信号的途径有许多种。在此列出一种红外线气体分析器上采用的方法，这也是最常用的一种，如图7所示。
图7 红外气体分析器参考信号电路
被测气体流经气室，吸收光源发出的红外光，从而打破光路平衡，产生信号。而光源发出的红外光在进入气室前被切光片所调制。该切光片又切过光电耦合器，在光电耦合器的受光部分，得到一个与测量信号频率完全一致、相位不同的参考信号。这种频率实际是由电机转速和切光片的叶数决定的。<BR> 从理论上讲，凡是基于朗伯特-比尔吸收原理的测量仪器，包括分光光度计，都可按此思路进行设计。在这类仪器中，光敏部件较易受到杂散光的影响，从而产生虚假干扰信号。而采用锁相电路则可大幅度抑制干扰。<BR> 磁压力式氧分析器的工作原理是基于氧的顺磁性。不同氧含量的两种气体在磁场中形成压力差，进而产生信号。仪器中一个振荡器产生的脉冲方波被分成两路，一路经一系列处理后加到电磁铁上，产生一个交变磁场，从而对信号实现调制。另一路则用来作为参考信号，实现对信号的调制解调。<BR> 以上仅是举例。分析仪器品种繁多，原理各异，在应用时要具体问题具体分析。在对仪器的技术档次、成本作综合分析后，再考虑采用该电路的具体措施。
5 结 论
采用锁相电路实现测量信号的全波整流，有着明显的优越性。我厂的CY－101型磁压力式氧分析器、GXH－101型红外线分析器和GXH－102型智能多组分红外线气体分析器均采用了类似的电路(移相方式有所不同)。而在GXH－103型普及型红外线分析仪上则采用了直接全波整流。两者在技术指标上存在着较大差异。GXH－102与GXH－103两种仪器的接收器、气室部件都是通用的，区别就在于信号处理部分。GXH－102的输出波动为满量程的0.4%，而GXH－103的输出波动为满量程的0.7%，可见效果是明显的。实践证明，这种电路通用性很强，适当改动就可应用到多种仪器仪表中，提高其技术档次。
作者简介：凌海，男，研究室主任，高级工程师，主要从事过程分析仪器的研究和设计工作。<BR>作者单位：凌海（四川仪表九厂，重庆，400060）
参考文献
［1］王化正，李玉生著.常用分析仪器结构使用与维修.北京：烃加工出版社，1987：141～142<BR>［2］常玉燕等译.日本电路精选.北京：电子工业出版社，1989：375<BR>［3］万心平，张厥盛著.集成锁相环路.北京：人民邮电出版社.1993：272
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