16、锁相技术

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1、实用标准文案锁相技术一、引言锁相，就是实现两个电信号相位同步的自动控制。锁定放人器(LIA—L0ck—inAmDlmer)是锁相技术在微弱信号检测中的应用，本实验将研究锁定放大器的原理和应用。实验的目的要求是：l了解锁定放大器的工作原理，着重掌握相关器的原理。2学会使用锁定放大器，并用它测量p．n结势垒电容。二、原理(一)锁定放大器的基本原理本实验采用NL一1锁定放大器，其原理框图见图12．k锁定放大器是一种交流电压表，它能精确地测定深埋在噪声之中的周期重复信号的幅值及相位，这种抑制噪声的作用主要是通过相关器实现的，使用时，除要输入待测信号外，还要输入参考信号。输入

2、信号通道低通滤波器相乘电路同步积分器信号输入ABC参考通道参考信号输入EFF图12—1NL一1锁定放大器原理框图1、相关器锁定放大器中的相关器如图12—2所示。它由相乘电路和低通滤波器组成，相乘电路有许多形式，如开关型、电流控制型等等，NL一1锁定放大器采用开关型。低通滤波器具有压缩噪声带宽，让直流信号通过的作用，它抑制噪声的能力可以用“等效噪声带宽”相乘电路输入信号低通滤波器R-+参考信号图12—2相关器这一参数来描述，可以求出，图12—2中的低通滤波器的等效噪声带宽n=低通滤波器的时间常数T=Rc，T越长则n越小，但实际上由于漂移等问题，T是不能太长的。下面是相

3、关器的工作原理。相关器采用的是所谓相关接收技术。设输入信号为，参考信号为精彩文档实用标准文案，由于低通滤波器实际上是一个积分器，因此相关器的输出是和乘积，再对时间积分，并取平均值有=(12-1)式中t是参考信号相对于输入信号的延迟时间，积分时间上限T即低通滤波器的时间常数，通常把式(12．1)所表示的称为和的相关函数，实现求相关函数的电子线路称为相关器或相关接收器。下面的讨论会更清楚相关器的作用。设入输入信号与参考信号都是频率为的正弦波，且输入信号有噪声，即（12-2）式中为随机的噪声频率，，分别为信号和随机的噪声与参考信号的相位差，，和为它们的振幅，通过乘法器的输

4、出电压通过低通滤波器后，上式等号右边第：、四项被滤去，相关器的输出电压为=+()(12-4)式中上式第一项为直流输出，第二项中的如果大于低通滤波器的带宽，则被滤去，如果小于低通滤波器的带宽，则输出仍有少量噪声。实际上考虑到线性和动态范围，锁定放大器的相乘电路采用开关电路，因此参考信号是F式所示的的单位方波：(12-5)其中为方波的频率。如果输入信号仍是频率为的正弦波:其中年为输入信号与参考信号之间的相位差，按照参考信号为正弦波的方法进行讨论可以求得(12-2)所示的相关器的输出电压为(12-6)这是锁定放大器的基本公式，为直流电亚，正比于输入信号的振幅，并和精彩文档

5、实用标准文案的余弦成正比。为低通滤波器的直流放大倍数，负号表示从反向端输入。改变输入信号和参考信号之间的相位差，可以求得输入信号的幅值和相位，从式中可以看出，当或，正比于，且为最大值；当=或，为零。图12-3画出了输入信号与参考信号处于不同相位的乘法器输出（）的波形以及低通滤波器的输出的电平（为直观起见，图中画的与分量同号），从上述可知，乘法器具有相位检波作用，因此常被称为相敏检波器.图12-3相敏检波器的相位检波特性如果输入信号有噪声，与式（12-2）所示的参考信号为正弦波类似，在参考信号为方波的情况下，噪声与参考信号的差额所组成的各种中频，只有落在低通滤波器的等

6、效噪声带宽之内的一小部分分量才对相关器的输出有影响，这样，信号可以从相关器通过，噪声的绝大部分被滤波，埋在噪声中的信号就被检测出来。由于参考信号为方波时还没有谐波响应，因此相关器也可以检测方波，而且总等效噪声带宽应用下子计算精彩文档实用标准文案这里不再详细讨论，式中n=是低通滤波器的等效噪声带宽。对于给定白噪声，噪声典雅正比于等效噪声带宽的平方根。因此，锁定放大器获得的信噪比改善，是输入信号的噪声带宽与相关器的等效噪声带宽之比的平方根，即2．同步积分器与相关器的联合使用同步积分器的原理线路如图12-4所示其中S是电子开关，由参考信号(方波)激励，使两个相同的电容C交

7、替与R连接。同步积分器的工作原理与相关器相似，不再讨论，但相关器输出是直流，它输出是方波，当输入信号与参考信号同步时，方波幅度最大。同步积分器与相关器联合使用见图12—1，图中各点波形及输出的电平见图12—5。同步积分器抑制噪声力强，但输出是方波，所以作为相关器的前级是很合适的，这样锁定放大器抑制噪声能力更强，动态范围更大。精彩文档实用标准文案(二)P-N结势垒电容的测量原理在半导体器件原理与设计中知道，P-N结中存在势垒电容，电容的大小与加在P-N结接锁定放大器输入端图12-6P-N结势垒电容的测量原理上的偏压有关，这里用锁定放大器来测定二极管p-N结反向直流