锁定放大器原理实验.pdf

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1、锁定放大器原理实验一、实验目的l、了解相关器的原理，测量相关器的输出特性；2、了解锁定放大器的原理及典型框图；3、根据典型框图，组装锁定放大器；熟悉锁定放大器的使用方法二、实验原理实际测量一个被测量时，无用的噪声和干扰总是伴随着出现，影响了测量的精确性和灵敏度。特别当噪声功率超过待测信号功率时，就需要用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原始信号。这些检测仪器是根据改进信噪比的原则设计和制作的。可以证明，当信号的频率和相位己知时。采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大，微弱信号检测的著名仪器锁定放大器，就是采用这一技术设计与制造的。锁定放大器是以相干检

2、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。而锁定放大器的主要由三部分组成，即：信号通道(相关器前那一部分)、参考通道和相关器(包括直流放大器)。图1.锁定放大器的基本原理图首先介绍相关器：它是锁定放大器的核心部分，其基本原理如下：1、相关接收原理微弱信号检测的基础是被测信号在时间轴上具有前后相关的特性。相关函数是表征原函数的线形相关得度量。因此，直接实现计算相关函数，就可以实现从噪声中检测被淹没的信号。利用随机过程的自相关函数来检测信号称为自相关接收：利用两个随机过程得互相关函数来检测信号称为互相关接收。由于自相关接收的抗干扰能力没有

3、互相关接收强，并且实现起来也比较复杂，因此，在微弱信号检测中，几乎都采用互相关接收。互相关接收对于已知为周期性的信号的检测十分有用。如图2所示，输入乘法器的两路信号中，e1(t)为被检测信号，是VA(t)与背景信号Vn(t)的叠加，e2(t)为在接收设备中设法产生的与被检测信号VA(t)同步的参考信号VB(t)。将参考信号与杂有噪声的输入信号e(t)=V(t)+V(t)进行相关，得到被测信号的相关函数，就代表了被测信号。1An图2.互相关接受示意图其相关函数为：1TR()τ=limetet()(−τ)dt12∫12T→∞2T−T1T=lim[Vt()

4、+VtVt()](−τ)dt∫AnBT→∞2T−T=R()τ+R()tABAB由于噪声Vn(t)与参考信号VB(t)的相关性，RNB(τ)=0，因此有R(τ)=R(τ)12AB利用互相关接收的原理可以构成锁相放大器的核心电路一相关器。2、相关器相关器由相敏检波器(PSD)与低通滤波器组成，是锁定放大器的核心部件。锁定放图3锁定放大器中通常采用的相关器大器中的相关器，通常采用图3所示的形式，由一个开关式乘法器(x)与低通滤波器(LPF)组成。(1)同步检测器令图3中输入开关乘法器的被测信号VA(t)和参考信号VB(t)分别为V(t)=2Vcos(ϖt+

5、ϕ)AAAAV(t)=2Vcos(ϖt+ϕ)BBBB则开关乘法器的输出信号为V(t)=V(t)⋅V(t)=V⋅Vcos[(ϖ+ϖ)t+(ϕ+ϕ)]+VVcos[(ϖ−ϖ)t+(ϕ−ϕ)]1ABABABABABABAB可见开关乘法器的输出由和频(wA+wB)和差频(wA-wB)两部分组成。当(wA=wB)或wA在wB附近时，则以低通滤波器组成的积分器取出差额分量来检测信号。当((wA=wB)时，同步检测器的输出信号V0为V0=KBVAcosϕ式中．KB为与参考信号幅度VB和低通滤波器传输函数有关的常数；φ为被测信号与参考信号的相位差，即φ=φA一φB。

6、同步检测器的输出信号与被测信号的幅度VA有关，也与被测信号与参考信号的相位差φ有关。当调整参考信号的相位差φ，使φA=φB时，同步检测器的输出信号只与被测信号的幅度有关，因而实现了幅度检测的要求。现在的锁相放大器不是采用模拟乘法器，而是采用开关电路构成的PSD电路作为相干检测器。(2)PSD的工作过程图4是PSD的基本框图。图4.PSD的基本框图.开关型乘法器的参考信号VB是频率wB的单位幅度对称方波。与被测信号VA(t)相乘得到V1的信号为：VVtVt=()()1AB22VA⎧11⎫=⎨cos[(ωω±)(t+ϕϕ±)]−cos[(3ωω±)(3t

7、+ϕϕ+)]+cos[(5ωω±)(5t+ϕϕ+)]−L⎬ABABABABABABπ⎩35⎭当(wA=wB)时，低通滤波器(LPF)的输出为：22V=VA(0)cos(ϕ−ϕ)=KVcosϕ0ALBAAπ式中，AL(0)为低通滤波器(LPF)的传输函数；K为只与传输系数有关、与参考信号幅度无关的电路常数；φ=φA一φB。即被测信号与参考信号的位相差。输出直流电压Vo与位相差φ成cosφ关系。由V0可见，PSD的输出信号与被测信号的幅度有关。也与被测信号和参考信号的位相差有关。当改变参考信号的位相差时，可以得到不同的输出，图5给出不同位相差φ各点的波形

8、。(注：图３中低通滤波器为反相输入。因此，输出直流电压与V1反号，本图中为了更直观起见，画的低通滤波器不倒相