虚拟相敏检波器的设计

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1、虚拟相敏检波器的设计一、设计目的：1.熟悉虚拟仪器的编程环境及数据操作中的各图标（端口）。2、了解相敏检波器的工作原理、组成结构。3、了解相敏检波器在微弱信号检测中的作用。2.运用LabVIEW图形编程语言的强大功能构建虚拟仪器相敏检波器。二、设计原理：信号处理是信号测试的一个重要环节，尤其对于伴随高强度噪声的信号的处理更是至关重要。无论是物理，化学，生物，还是天文，通信及电子技术等领域，都存在亟待检测的各种微弱信号，这些信号单独存在的概率相当小，往往被噪声深深覆盖淹没。对于伴随噪声的非周期微弱信号，通常采样滤波器减小系统的噪

2、声带宽，对于深埋于噪声中的周期性信号，则采取锁相放大法，即使用相敏检波和低通滤波构筑的相敏检波器对被测信号进行相关检测。相敏检波器由移相网络，乘法器，积分器，方波参考信号源(其频率与检测信号相同)构筑而成。移相网络的作用是使被测信号与方波参考信号同相，两种信号经乘法器和积分器运算后获得最大直流分量的全波整流信号，由于噪声的随机性，与参考信号同频同相的概率极小，经低通滤波器的积分运算后，高频分量的绝大部分噪声被滤除，因此，相敏检波器具有极强的抑制噪声的功能。相敏检波器仿真仪程序流程见图1。图1虚拟相敏检波器程序流程三、所用设备计

3、算机、LABVIEW软件四、设计步骤4.1前面板设计⑴设置四个波形显示器，可同时观察方波参考信号，正弦被测信号，正弦波和随机噪声的叠加信号波形。执行四次Controls>>Graph>>WaveformGraph操作，调用图形控件Graph。⑵设置一个输出显示型数字控件，显示相位差测量结果。⑶设置四个数字控件，用于正弦波和方波发生器设置采样频率，采样点数，信号频率。⑷设置一个旋钮型控件，用它来控制正弦波和方波信号的相位差。⑸设置一个开关型控件，控制仪器的运行或关闭。4.2虚拟相敏检波器的运行随机噪声图标首先与巴特沃斯高通滤波器

4、连接，滤波器的LowcutoffFreq预设值为100，即滤除随机噪声中频率小于100的低频分量，生成高频噪声，尔后与正弦信号叠加，如图3(a)所示，叠加后的信号已不见正弦波的踪影，它完全被随机噪声笼罩。此时运用巴特沃斯低通滤波器对叠加信号进行预处理，低通滤波器的LowcutoffFreq预设值为20，即滤除频率大于20Hz的信号，由于随机噪声频率是大于100的高频信号，而正弦波的频率是5Hz，所以叠加信号通过该级低通滤波器后，随机噪声基本滤除殆尽，正弦波清晰可见，它与方波信号进行模拟乘法运算，得到输入信号与参考信号的和频分量

5、和差频分量。最后还须连接一个巴特沃斯低通滤波器，通过两次互相关运算，滤除信号的和频分量，相敏检波器最后检测的信号是正弦波和方波信号的差频电压。由于两种信号的振幅均为1，则方波参考信号展开为傅氏级数:(1)设正弦波信号的数学表达式为:⑵则相敏检波器的输出电压为：⑶式中f1,f2分别是正弦波和方波信号的频率,n是谐波数,分别是正弦波和方波信号的初相角。4.3.1正弦波和方波参考信号同频同相调节虚拟相敏检波器前面板的模拟电位器，使相位差计示值为0度，此时正弦波和方波参考信号的频率均为5Hz,相位也相同，从图3(a)我们可以清晰地看到

6、虚拟相敏检波器输出的是全波整流信号，幅值为＋1，而且盈含恒定分量的正极值。在“相敏输出信号”的屏幕上我们丝毫看不到随机噪声的踪迹，随机噪声得到有效抑制。(a)正弦波和方波信号同频同相(b)正弦波和方波信号同频反相(c)正弦波和方波信号同频相位差30度图3从虚拟相敏检波器前面板也注意到一个现象，正弦波和方波参考信号同频同相时，方波相位旋钮的指针指向-45度，这意味正弦波相位也滞后45度，而不是原先的默认值0度，原因是正弦波和随机噪声的叠加信号通过巴特沃斯低通滤波器时相位要迁移滞后，这一现象是相频响应引起的相移，其公式是：(4)其

7、中,ω=为特征角频率，Q为等效品质因素。4.3.2正弦波和方波参考信号同频反相调节电位器，使方波参考信号与正弦波的相位差示值180度，此时两个信号同频反相，虚拟相敏检波器的输出波形仍是全波整流波形，但幅度为-1，盈含恒定分量的负极值。见图3(b)。由此证明相敏检波器也具有鉴相特性。4.3.3正弦波和方波参考信号同频不同相调节方波相位电位器，使方波参考信号与正弦波的相位差示值分别为30度，如图3(c)所示。仿真仪输出的是交流信号，显然输出与两信号的相位差具有相关性，正弦波和方波参考信号同频不同相时虚拟相敏检波器输出信号中的恒定分

8、量为：.4.3.4正弦波和方波参考信号不同频率仿真仪前面板“正弦波频率”，由原来的5Hz上升为30Hz，调节“方波频率”，使其示值为3Hz，采用以上方法分析虚拟相敏检波器输出信号。五．设计报告内容：1、分析相敏检波器的设计原理及其在微弱信号检测中的作用。2、分析采用LABVI