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鎖相放大技術在蓄電池內阻檢測中的應用
摘要：介紹了鎖相放大技術的基本原理以及采用交流注入法在線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實現內阻測量實際電路。在該裝置中通過采用平衡調制解調芯片AD630有效地抑制了噪聲和干擾，并且簡化了設計。國內外的科研人員通過大量的實驗發現，蓄電池的內阻與容量有著密切的關系，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，實現維護密封鉛酸蓄電池的在線維護，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，滿容量時，內阻一般為幾毫歐，甚至零點幾毫歐（一般400Ah的2V蓄電池內阻大約為0.5毫歐左右），因此內阻法在實現時有較大的技術難度。另外，充電機會產生很大的干擾，環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鍵技術。
在研究中發現，采用鎖相放大技術可以有效地抑制干擾和，并使得內阻的測量變得非常簡單且測量速度快、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，這時的等效噪聲帶寬很窄，極強地抑制了輸入噪聲。
輸入信號經過相敏檢波和低通濾波后，將交流信號轉變為直流信號，直流信號經直流放大器放大后，即可滿足系統的增益要求。
2 鎖相放大器中的信號相關原理
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是時間位移。則兩者的相關函數為：
由于參考信號Y(t)與隨機噪聲N（t）互不相關，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性，而參考信號正噪聲相互獨立、互不相關的性質，可以使之通過互相關運算削弱噪聲的影響。
3 內阻的測量原理
內阻測量是一個比較復雜的過程，
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點，如體積小、成本低、對電池無損害、可在線測量、可進行頻繁的測量等。由于交流法具有種種優點，所以越來越受到業界的推崇。
這里要用了交流注入法進行蓄電池內阻的測量，運用鎖相放大技術很好地抑制了充電機的干擾和環境噪聲。
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，一零點幾個毫歐至幾個毫歐，所以電池內阻測量導線的阻抗是不可忽略的，應采用四線法進行測量，即將注入電流回路與信號測量回路分開。
圖中，低頻交流信號發生器為一個頻率為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行鎖相放大及濾波處理。
測量內阻一般是先通過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行內阻的測量，可直接計算出內阻，既簡化了設計，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（頻域的窄帶化處理）進行處理。
相敏檢波器是鎖相放大器的心臟。對周期信號進行互相關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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