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鎖相放大技術(shù)在蓄電池內阻檢測中的應用
摘要：介紹了鎖相放大技術(shù)的基本原理以及采用交流注入法在線(xiàn)測量蓄電池內阻的裝置，詳細介紹了該裝置的工作大批量采用鎖相放大技術(shù)實(shí)現內阻測量實(shí)際電路。在該裝置中通過(guò)采用平衡調制解調芯片AD630有效地抑制了噪聲和干擾，并且簡(jiǎn)化了設計。國內外的科研人員通過(guò)大量的實(shí)驗發(fā)現，蓄電池的內阻與容量有著(zhù)密切的關(guān)系，根據蓄電池內阻的大小可以電池的性能。用內阻檢測法判定蓄電池性能，實(shí)現維護密封鉛酸蓄電池的在線(xiàn)維護，是目前人參認的蓄電池維護的最佳方案之一。
蓄電池的內阻一般都很小，滿(mǎn)容量時(shí)，內阻一般為幾毫歐，甚至零點(diǎn)幾毫歐（一般400Ah的2V蓄電池內阻大約為0.5毫歐左右），因此內阻法在實(shí)現時(shí)有較大的技術(shù)難度。另外，充電機會(huì )產(chǎn)生很大的干擾，環(huán)境的噪聲也是不可忽視的，再加上內阻否則微弱，所以如何有效地抑制干擾也就成了內阻測量的關(guān)鍵技術(shù)。
在研究中發(fā)現，采用鎖相放大技術(shù)可以有效地抑制干擾和，并使得內阻的測量變得非常簡(jiǎn)單且測量速度快、成本低廉。
圖1
1 鎖相放大的基本原理
鎖相放大的基本原理框圖如圖1所示。
由于被檢測的信號很微弱，而噪聲和干擾卻很強，所以被檢測的信號應進(jìn)行放大和濾波處理，以濾除通帶以外的噪聲和干擾。參考信號的作用是提供一個(gè)與輸入信號同頻的方波或正弦波。相敏檢波的作用是對輸入信號和參考信號進(jìn)行乘法運算，從而得到輸入信號與參考信號的和頻與差頻信號。后續的低通濾波的作用是濾除和頻分量，這時(shí)的等效噪聲帶寬很窄，極強地抑制了輸入噪聲。
輸入信號經(jīng)過(guò)相敏檢波和低通濾波后，將交流信號轉變?yōu)橹绷餍盘�，直流信號�?jīng)直流放大器放大后，即可滿(mǎn)足系統的增益要求。
2 鎖相放大器中的信號相關(guān)原理
設X（t）是伴有噪聲的周期信號，即：
X（t）=S(t) N（t）=Asin(ωt ψ) N(t)
其中，S（t）為有用信號，其幅值為A，角頻率為ω，初相角為ψ，N（t）為隨機噪聲。
參考正弦信號為：
Y（t）=Bsinω(t τ)
其中，τ是時(shí)間位移。則兩者的相關(guān)函數為：
由于參考信號Y(t)與隨機噪聲N（t）互不相關(guān)，所以Rny(τ)=0，于是就有：
Rxy(τ)=（AB/2）cos(ωτ ψ)
從而得出Rxy(τ)正比于有用信號的幅值。
由以上分析可知，利用參考信號與有用信號具有相關(guān)性，而參考信號正噪聲相互獨立、互不相關(guān)的性質(zhì)，可以使之通過(guò)互相關(guān)運算削弱噪聲的影響。
3 內阻的測量原理
內阻測量是一個(gè)比較復雜的過(guò)程，
目前主要有兩種方法，即直流放電法和交流注入法。交流注入法相對直流放電法有很多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、成本低、對電池無(wú)損害、可在線(xiàn)測量、可進(jìn)行頻繁的測量等。由于交流法具有種種優(yōu)點(diǎn)，所以越來(lái)越受到業(yè)界的推崇。
這里要用了交流注入法進(jìn)行蓄電池內阻的測量，運用鎖相放大技術(shù)很好地抑制了充電機的干擾和環(huán)境噪聲。
交流注入法測量電池內阻的原理框圖如圖2所示。由于在變電站和通信基站中使用的免維護鉛酸蓄電池的內阻都很小，一零點(diǎn)幾個(gè)毫歐至幾個(gè)毫歐，所以電池內阻測量導線(xiàn)的阻抗是不可忽略的，應采用四線(xiàn)法進(jìn)行測量，即將注入電流回路與信號測量回路分開(kāi)。
圖中，低頻交流信號發(fā)生器為一個(gè)頻率為5Hz的交流恒流電池源，用于給電池注入交流信號。電阻Rr為取樣電阻，用于產(chǎn)生同步參考信號。
鎖相放大及濾波電路是內阻測量的核心部分，用于分離電池內阻上固有的容性成分，并對微弱的內阻測量信號進(jìn)行鎖相放大及濾波處理。
測量?jì)茸枰话闶窍韧ㄟ^(guò)測量電壓計算出內阻抗，再測量相移，然后再計算出內阻抗中純阻性部分（即常說(shuō)的電池內阻）。這種方法電路設計比較復雜，并且精度也很難做得很高。在設計中，采用了鎖相放大法進(jìn)行內阻的測量，可直接計算出內阻，既簡(jiǎn)化了設計，又有效地抑制了干擾和，大大提高了測量精度。
4 鎖相放大及濾波處理實(shí)際電路
對于存在噪聲的非周期信號，通常用濾波器減小系統的噪聲帶寬，即所謂的帶寬壓縮法。對于深埋在噪聲信號中的周期性重復信號，通常采用鎖相放大技術(shù)（頻域的窄帶化處理）進(jìn)行處理。
相敏檢波器是鎖相放大器的心臟。對周期信號進(jìn)行互相關(guān)運算的電路框圖如圖3所示。
設US=Es·sin(2πf1t ψ1)
Ur=Er=Er·sin(2πf2t ψ2)
則：Uo=Us·Ur
=(EsEr)/2cos[2π(f1-f2)t (ψ1-ψ2)]-(EsEr)/2
cos[2π(f1 f2)t (ψ1 ψ2)]
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