双相锁定放大器实验教案

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1、课时安排：5学时教学课型：实验课题目：双相锁定放大器实验教学目的要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：通过实验，让学生达到以下目的：1、了解双相锁定放大器的原理及框图。2、根据典型框图，连接成双相锁定放大器。并测试双相锁定放大器的功能。教学内容（注明：*重点　#难点　？疑点）：一、实验所用仪器：1、ND—501型微弱信号综合装置A、B、C、D组合仪各一台2、HB—602型精衰减器一台3、示波器一台4、信号线若干条二、实验原理部分：锁定放大器是以相干检测技术为基础，其核心部分是相关器，基本原理框图如图1所示。*图1锁定放

2、大器基本原理框图图1所示的典型方框图分成三部分：信号通道（相关器前那一部分）。参考通道、相关器（包括直流放大器）。1、信号通道信号通道是相关器前的那一部分、包括低噪声前置放大器，各种功能的有源滤波器，主放大器等部分组成。作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器的动态范围。信号通道要求低噪声和高增益的性能，前置放大器是锁定放大器的第一级，由于被测信号很小，可能是100nv到10nv甚至更小，则要求前置放大器必须具备低噪声的特点。否则将由于放大器本身的噪声将使信号淹没得更深

3、。由于半导体低噪声器件不断改善和对低噪声电路的研究，目前国内外已生产出输入端短路电压为几的前置放大器，目前已研制出输入端短路噪声电压也能达到小于数量级。10在测量中对于不同测量要采用不同的传感器，各种传感器的输出阻抗不一样，即对前置放大器而言就呈现出不同的信号源内阻。为了得到最佳噪声性能，必须使前置放大器工作在最佳信号源内阻的条件下。这样必须要设计不同最佳信号源内阻的前置放大器或采用输入变压器匹配，使放大器满足在最佳信号源内阻的条件下工作，使噪声性能最佳。另外，还必须考虑前置放大器具备有足够的放大倍数（100或100

4、0倍），强的共模抑制能力，较大的动态范围等。信号通道中的有源滤波器，有时也称相关器前有源滤波器，这是为了便于和相关器中的低通滤波器不相混淆而取的名称。滤波器要根据干扰和噪声的不同类型可以采用带通、高通、低通、带阻带馅波等不同形式，或几种同时使用。有源滤波器通常也具有放大能力，如果滤波器放大倍数还不够，就要在相关器前再加入交流放大器。2、参考通道互相关接收除了被测信号外，需要有另一个信号（参考信号）送到乘法器中，因此，参考通道是锁定放大器区别于一般仪器，不可缺少的一个组成部分。作用是产生于被测信号同步的参考信号输给相关

5、器。通常锁定放大器的参考通道输出是和信号同步的对称方波，用以去驱动相关器的场效应管开关。参考通道主要是由触发器、相移电路、方波形成电路和驱动级等几部分组成。和信号同步的参考触发信号，可以是仪器内部产生或外部输入。大部分产品由外部输入，输入波形可以是正弦波、方波、三角波、脉冲等各种波形的周期信号。触发电路有时也称过零电路，能把各种波形的参考信号变成一定波形的同步脉冲，去触发下一级电路。触发电路要求有很大的触发电平范围和很宽的工作频率范围，通常触发电平在几十毫伏到几十伏，频率从零点几赫兹到几百千赫兹或更高。相移电路是参考

6、通道的主要部件，它的功能是改变参考通道输出方波的相位，在360°内可调。大部分的锁定放大器的相移部分由一个0°-100°连续可调的相移器，以及相移量能跳变90°、180°、270°的固定相移器组成，从而达到360°范围内都能调的任何相移量。对于相移器的相移精度以及相移——频率响应都有一定的要求。方波形成电路的作用是把相移器送来的波形变成同步的占空比严格为1：1的方波。（为了抑制偶次谐波必须占空比严格为1：1）。驱动级把方波变成一对相位相反的方波，用以驱动相关器中的场效应管开关，根据开关对驱动电压的要求，驱动级输出一定

7、幅度的方波电压给相关器。3、相关器这是锁定放大器的核心部分，在相关器的实验中已作了详细介绍，要求相关器具有动态范围大，漂移小，时间常数可调，线性良好等性能。在我们了解了相关器的性能和介绍了锁定放大器的基本框图后，可以得到锁定放大器具有下列特点。（a）锁定放大器相当于以fR为中心频率的带通放大器。等效信号带宽由相关器的时间常数决定。用公式表示为：　　　　(1)式中为等效带通放大器信号带宽，为相关器的低通滤波器的滤波电阻和电容。(时间常数)（b）锁定放大器的等效噪声带宽由相关器决定，重写如下：　　　（2）由低通滤波器的时

8、间常数决定。10为了对锁定放大器的抑制干扰和抑制噪声能力有一个定量的了解。根据实际仪器假设几个数据，求出锁定放大器的信号带宽和噪声带宽。目前国内外的产品，由面板可控制的时间常数，最大值为300秒，即秒，代人（1）和（2）式，求得：（3）（4）这些的数值表明，锁定放大器具有十分窄的信号带宽和噪声带宽。如果工作频率为100kHz，这时，相当的带通放