做一个锁定放大器


做一个锁定放大器!

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想必你已经康过 上一篇文章 了~(什么?还没看?快点去啊( •_•)>⌐■-■)

根据上一篇文章所讲述的锁定放大器的原理,我制作了一个利用 高速比较器 + 模拟开关 实现的锁定放大器。
使用KiCad设计,唔文件就不放了,挺简单的,如果你想要的话进群找我吧:p

PCB—

嗯,在某板厂打的骚紫色,4号下的单今天才发过来…无语子~
设计上我采用了4层板设计,主要信号线走在顶层上,拉不过去的话就走底层,中间层为2个电源层(正负轨),底层铺地平面。

Soldiering

画简单板子我喜欢把所有元件都放在正面,这样焊接起来非常方便。我使用了巨好用的 铁板烧(恒温陶瓷PTC发热片)来当作加热台,它能加热到200多度的高温且恒温,非常适合用来配合锡膏焊接贴片元件。先给空板预热一下,然后用牙签沾一点锡膏点到焊盘上,锡膏在高温的(这个温度很讲究,既要让锡膏软化又不能让他直接变成液相金属锡)的流动性非常棒。点完锡膏之后就可以贴元件了。贴好就像上面这样。

然后就可以再次开启铁板烧,将锡膏全部熔化~

Soldiering

熔化的液态金属锡的 表面张力 会拖着元件引脚一起到焊盘上。所以一般这样加热一遍之后仅仅需要微调各别元件,PCB很快就能焊好。。

焊好之后就开始进行测试了~

测试

对电路进行了各种调整之后,我确定了部分关键元件的最佳参数,同时调整好了4个跳线的位置,这样这个电路就算是做好了。长这样:

cplt

来康康波形吧~

输入信号为4Vpp,频率100kHz,带直流偏置的正弦信号(但无所谓,因为我使用了交流耦合去除直偏的影响),Ref信号经过高速比较器整形成方波之后,用来控制模拟开关的开通与关断。

测试方法:改变输入信号与Ref信号的相位差,同时用示波器看模拟开关输出端的波形,用万用表测量低通滤波器的输出直流电平,再根据理论值计算一下就可验证电路特性如何~

  • 输入信号与Ref信号相差0度

0.0

0.1)

  • 输入信号与Ref信号相差45度

45.0

45.1

  • 输入信号与Ref信号相差90度

90.0

90.1

  • 输入信号与Ref信号相差180度

180.0

180.1

根据计算公式:

整理得到表格如下:

相位差 测得输出电压 理论输出电压
0度 1.2584V 1.2732V
45度 0.9385V 0.9003V
90度 0.000V 68.63mV
180度 -1.2596V -1.2732V

误差分析

从结果来看,是有一定直流误差存在的。根据电路结构分析,误差可能来源于如下几个方面:

  1. 各级运放的偏置电压,总共加起来大约在10mV以下级别
  2. 高速比较器的传播延迟为4.5ns,上升下降沿时间也是ns级别,在100kHz频率下影响较小,但还是存在影响。
  3. 比较器整形输出方波并非严格50%,有百分之0.几的误差
  4. 信号源输出本身的精度问题
  5. 模拟开关的开通/关断延迟时间也会造成影响。

综合如上来考虑的话,我觉得这个电路的表现非常棒了。

好玩的

最后我们来验证一个问题。
我们前文中讲过,锁定放大器可以 剔除全部与参考信号频率不同的量。因为如果参考信号与输入信号频率不同时,关于该信号的输出信号没有直流成分。

于是我动了一下信号源的频率参数,参考信号还是100kHz,将输入信号设置为99.999kHz之后(频率相差1Hz),我们可以看到如下波形:

err

看起来是不是像影流之主23333。注意数一数这条蛇的包络线的周期,刚好是1秒,对应频率为1Hz,跟计算得到的结果是完全一致的


文章作者: Floyd-Fish
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