精品锁相放大器实验报告

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1、锁相放大器实验报告【摘要】随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。【关键词】锁相放大器；微弱信号放大；

2、PSD输出波形；谐波响应一实验原理1.1噪声在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。这类信号检测的最终极限将取决于测量设备的噪声，这里所说的噪声是措T扰被测信号的随机涨落的电压或电流。噪声的來源非常广泛复杂，有的來自测量时的周围环境，如50Hz巾电的干扰，空间的各种电磁波,有的存在于测量仪器内部。在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1//’噪声，这些噪声都是山元器件内部电子运动的涨落现象引起的。从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。1.2相干检测及相敏检波器微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特6。相关反映了两个

3、函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对吋间的积分不为零，则表明这两个阑数相关。相关按概念分为£1相关和互相关，微弱信号检测屮-•般都采用抗干扰能力强的互相关检测。设信号/;(f)为被检信号K.⑺和噪声K,(6的叠加，AU)为与被检信号同步的参考信号K(f),二者的相关函数为:7?12(r)=lim^£ZW-/2(r-r)dr=lirn^；fr[Vs(，)+K(，)]•以卜啦=/?sr(r)+/?nr(r)。山于噪声K(r)和参考信号K(r)不相关，故几所以允2(3。锁相放大器通过直接实现计算相关函数来实现从噪声中検测到被淹没信号。锁相放大器的核心部分足相敏检波器(phase

4、—sensitivedetector,简称PSD)，也有称它为浞频器(mixer)的，它实呩上是一个乘法器。加在倌号输入端的倌号经滤波器和调谐放大器后加到PSD的一个输入端。在参考输入端加一个与被测信号频率相同的正弦(或方波)信号，经触发整形和移相变成方波信号，加到PSD的另一个输入端。若加在PSD上的被测信号为加在PSD上的方波参考倌号w•幅度为1，若用傅里叶级数展开，则方波的表达式为41ur=—Vsin[(2H+l)69rz],(77=0，1,2)。7L,

5、=0+1于是PSD的输出信号为WoPSD=Wi*Ur(A1=[%sin(卯+州•[sin[(2n+0^/]>4或i

6、yr°s{[(2n+1)6^H°°2U(2)3兩yr令+1)⑽]…}°从式(2)可以看出，输出信号i/oPSD包含舍卜*列各种频率分量：2O)x-叫分量—U'COs[(69r-)Z-(p,J71269r+叫分量——UxCOs[(69r+叫)，+;兀123柯-叫分量——U'cos[(369r-)r-(p，J37112369r+叫分量U'COs[(369r+叫)Z+371在正常丄作惜况下，参考信号的基波频率与被测信号的频率是相等的，即价=0)，。这吋PSD的输岀信号〜SD屮含有直流成分wdc=—Uxcos(p71,(4)经低通滤波器(Low—PassFilter,简写为LP

7、F)后，PSD输出信号屮的交流成分被滤去，只杏直流成分uU皮输出，它的人小与输入信号和参考信号之闽的位相差(P有关。当(P二0时，输出信号最大Udc(5)可见，输出信号大小还和被测信号的幅值成正比。山于参考通道有精密可调的移相器，不管参考信号与被测信号之间的位相差原来足多少，总可以调节移相器，使在PSD输入端(p=0,从而输出达到最人值，经过校准一般LI:输出最人吋代表输入信号的奋效值。当cp=±tt/2时，心=0。由以上讨论可以看出，在被测信号屮若混杂有相同频率而不同位相的干扰倌号吋，经过PSD，会受到一定的抑制。阁1画出了＜p其有儿个典型数值吋的Ui、u.和^SD的波形

8、。(b)9=270\MMAc(平均值)WoPSDA•(c)9=180(d)9=90图10为不同数值时的Mi、Mr、MoPSD和他波形从(3)式进一步可以看出，若输入信兮为三次谐波，即出现了3砂=似的情况，这时3似-似分量就是直流分量，其数值为19—x—U{cos少(6)371与似二似的基波情况相比，除人小降低到1/3以外，其他情况-•样。同理,如果砂=(2/汁1)砂，WU可得到相应的且流分量为2/7+1这表明被测信号屮的命次谐波成分在输出信号屮仍占有一定比例，或者说，PSD-LPF系统对奇次谐波的抑制能力存一定限