作者注：本文参考自代显智老师的MuItisim 在锁定放大器教学中的应用一文，并在此基础上作出一些改进。该文档仅用做学习参考，请忽用于其他用途。文章难免有错误与不完善之处，敬请原谅。

Multisim13.01是美国国家仪器公司推出的EDA 仿真软件。Multisim 的软件界面友好、功能强大、易学易用，并且提供了虚拟电子元器件以及虚拟仪器仪表，将元器件和仪器集合为一体，可完成原理图设计和电路测试。

一、交流放大与噪声的施加

微弱信号通常被大幅值的噪声信号淹没，需要放大。图1采用了反相加法电路，将被检测信号和噪声信号叠加在一起。噪声采用虚拟仪器——Agilent 函数发生器产生。被检测的信号由交流信号源模拟产生。设置时，将Agilent 函数发生器的噪声峰峰值设为4V ，被检测的信号电压设为0.05V ，频率设为1kHz 。示波器XSC1测量加法器的输出，其输出信号如图2所示。

图1

交流放大与噪声叠加电路

图2交流信号与噪声叠加后的波形

二、带通滤波电路

该电路由一个二阶低通滤波器和一个二阶高通滤波器级联构成，如图3。设计带宽为500-2khz 。使用虚拟仪器波特测试仪结果如下图4所示。

信号输出

图4带通滤波电路幅频特性

三、相敏检测电路

AD630是一款高精度平衡调制器/解调器，AD630用于需要宽动态范围的精密信号处理和仪器仪表应用。当AD630用作采用锁定放大器配置的同步解调器时，可从100dB 干扰噪声中恢复小信号（参见锁定放大器应用部分）。虽然该电路针对高达1kHz 的工作频率进行

优化，但在频率高达几百千赫时也很有用。

图5AD630产品手册中锁定放大器的电路连接图

此处将使用AD630构成相敏检波器，实现的仿真电路如下。

信号输入

图6AD630

相敏检测电路

图7仿真电路中的示波器波形图

输出波形如上图，相敏检波功能已实现。检波后的信号幅度为原来输入信号的2倍。

四、低通滤波电路

信号输出

被测信号输入

参考信号输入

图8低通滤波电路

五、移相与方波驱动电路

移相与方波驱动电路可采用图9所示仿真电路来演示。图9中第一个运放实现了0~180°的移相，第二个运放构成过零比较器，将正弦信号转化为方波信号；后两个反向器是将比较器输出信号整形和转化成两个相位差互为180°的方波，从而使生成的方波更加标准；第三个运放为一2倍减法电路，将两个方波信号合成为一个±5V的驱动方波信号，作为AD630的参考信号。图中XBP1为波特测试仪，用来观察移相前后的相位差。波特测试仪IN输入端应连接移相前的信号，波特仪OUT输出端应连接移相后的信号，这样波特仪才能正常工作。分别调节可变电阻的阻值为0%、50%、100%，能观察波特仪1kHz时的相位差，说明该电路能实现0~180°的移相。

图9移相与方波驱动电路

图10输出参考信号波形-±5V,1KHz方波

六、完整电路仿真

仿真结果：

[1]无噪声输入

图11

锁定放大器的完整电路

图12无噪声输入时的Out1和out2输出波形

out2理论值：交流放大X 2(AD630放大倍数)X

θπCOS V S 2=5x 2x πV S 2（Vs=0.05v ，θ=0°）=0.3183v

out2仿真测量值≈0.283相对误差=11％

误差产生原因：

(1)带通滤波器存在信号衰减现象，应该引入修正系数。

引入修正系数后的修正值:10200.55

-0.283÷=0.3015相对误差=5.3％（0.55为带通滤波器在

1kHz 处的衰减系数）

(2)低通滤波器（积分器）无法将信号进行完全积分且存在一定的衰减作用。

[2]有噪声输入

Out2

Out1

图13有噪声输入时的Out1和out2输出波形

由于仿真所需时间过长，此处无法计算测量信号的有效值，但从相敏检波波形可以看出，加入噪声后的检波波形虽与无噪声时的检波波形有稍许不同（失真），但基本能够将待测信号从4.00Vpp的白噪声中分辨出0.05Vpp，1KHz的微弱信号出来。

七、总结

虽然使用multisim仿真软件能够教直观的展示锁相放大器各部分的工作原理，能够在实际制作锁定放大器时，给出一定的指导作用，如遇到错误，可以清楚知道该在哪些地方进行检测、什么波形是正常波形，从而快速查找错误，较快完成实验制作。但是其缺陷也是不言而喻——电路复杂时的仿真速度慢，导致仿真结果的等待时间过长，一些实验误差计算无法完成，且仿真结果也无法反映实际，这在实际电路的实验中是需要引起注意的。下载本文