鎖相放大器試驗報告

1、鎖相放大器實驗報告【摘要】 隨著科學技術(shù)的開展,微弱信號的檢測越來越重要.微弱信號檢測是利用電子學、信息論、物理學和電子計算機的綜合技術(shù).它是在熟悉噪聲與信號的物理特性和相 關(guān)性的根底上,把被噪聲淹沒的有用信號提取出來的一門新興技術(shù)學科.鎖相放大器就是 檢測淹沒在噪聲中微弱信號的儀器.它可用于測量交流信號的幅度和位相,有極強的抑制 干擾和噪聲的水平,極高的靈敏度,可檢測毫微伏量級的微弱信號.鎖相放大器可以理解 為用噪聲頻帶壓縮的方法,將微弱信號從噪聲中提取出來.本實驗通過測量鎖相放大器的 工作參數(shù)和特性,掌握相關(guān)檢測原理以及鎖相放大器的正確使用方法.【關(guān)鍵詞】 鎖相放大器；微弱信號放大；PSD

2、俞出波形；諧波響應(yīng)一實驗原理1.1 噪聲在物理學的許多測量中,常常遇到極微弱的信號.這類信號檢測的最終極限將取決于 測量設(shè)備的噪聲,這里所說的噪聲是指干擾被測信號的隨機漲落的電壓或電流.噪聲的來 源非常廣泛復雜,有的來自測量時的周圍環(huán)境,如50Hz市電的干擾,空間的各種電磁波,有的存在于測量儀器內(nèi)部.在電子設(shè)備中主要有三類噪聲：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲,這些噪聲都是由元器件內(nèi)部電子運動的漲落現(xiàn)象引起的.從理論上講漲落現(xiàn)象永遠存 在,因此只能設(shè)法減少這些噪聲,而不能完全消除.1.2 相干檢測及相敏檢波器微弱信號檢測的根底是被測信號在時間上具有前后相關(guān)性的特點.相關(guān)反映了兩個函數(shù)有一定的關(guān)系,

3、如果兩個函數(shù)的乘積對時間的積分不為零,那么說明這兩個函數(shù)相關(guān).相 關(guān)按概念分為自相關(guān)和互相關(guān),微弱信號檢測中一般都采用抗干擾水平強的互相關(guān)檢測.設(shè)信號f1(t)為被檢信號U(t)和噪聲Vn(t)的疊加,f2(t)為與被檢信號同步的參考信號 V(t),二者的相關(guān)函數(shù)為：1 T1 TR121im 丁 f t f2 t dt |im - t Vs t Vn (t) Vr tdt由于噪聲V,()和參考信號V()不相關(guān),故Rr( )=0,所以R2( )=Rr().鎖相放大器 通過直接實現(xiàn)計算相關(guān)函數(shù)來實現(xiàn)從噪聲中檢測到被淹沒信號.鎖相放大器的核心局部是相敏檢波器(phasesensitive detec

4、tor, 簡稱PSD),也有稱它為混頻器(mixer)的,它實際上是一個乘法器.加在信號輸入端的信號經(jīng)濾波器和調(diào) 諧放大器后加到 PSD的一個輸入端.在參考輸入端加一個與被測信號頻率相同的正弦(或 方波)信號,經(jīng)觸發(fā)整形和移相變成方波信號,加到PSD的另一個輸入端.假設(shè)加在PSD上的被測信號為Ui,加在PSD上的方波參考信號 ur幅度為1,假設(shè)用傅里葉 級數(shù)展開,那么方波的表達式為4ur - T： 冗 n 0 2n sin 2n i 1(n=0, 1,2).于是PSD的輸出信號為uoPSD ui urUi sin it1 sin0 2n 12n1rt2Uin 0 2n 1 冗cos2n2Uin

5、 0 2n-cos7t2n從式(2)可以看出,輸出信號u0PSD包含有以下各種頻率分量:i分量i分量2,U i cos花2, 5 cos花1 2-Ui cos 33兀在正常工作情況下,參考信號的基波頻率與被測信號的頻率是相等的,即時PSD的輸出信號uoPSD中含有直流成分2,udc 5 cos花(4)經(jīng)低通濾波器(Low-Pass Filter,簡寫為LPF)后,PSD輸出信號中的交流成分被濾去,只有直流成分 udc被輸出,它的大小與輸入信號和參考信號之間的位相差=0時,輸出信號最大2,udc -Ui冗 (5)有關(guān).當可見,輸出信號大小還和被測信號的幅值成正比.由于參考通道有精密可調(diào)的移相器,

6、不管參考信號與被測信號之間的位相差原來是多少,總可以調(diào)節(jié)移相器,使在PSD輸入端/2時, 擾信號時, 的波形.Udc=0.由以上討論可以看出,在被測信號中假設(shè)混雜有相同頻率而不同位相的干經(jīng)過PSD會受到一定的抑制.畫出了具有幾個典型數(shù)值時的Ui、Ur和UoPSDOPSD=0,從而輸出到達最大值,經(jīng)過校準一般讓輸出最大時代表輸入信號的有效值.當UiUir v v tUrUoPSD iud c平均值,toUiUoPSD 1(a)/A一 .tV V tUd c平均值(b)Uir一 ,tV V t(c)(d)為不同數(shù)值時的Ui、Ur、UoPSD 和 Udc 波形3 r= i的情況,這時從3式進一步可以

7、看出,假設(shè)輸入信號為三次諧波,即出現(xiàn)了3 r- i分量就是直流分量,其數(shù)值為1 25 cos3 兀r= i的基波情況相比,除大小降低到 1/3以外,其他情況一樣.同理,如果|=(2n+l)=,那么可得到相應(yīng)的直流分量為U- -U cos 02n 1幾這說明被測信號中的奇次諧波成分在輸出信號中仍占有一定比例,或者說,PSD-LPF系統(tǒng)對奇次諧波的抑制水平有一定限度,圖 2畫出了 PSD的諧波響應(yīng)圖.因此,在實際的鎖 相放大器內(nèi),在信號通道中,還設(shè)置有高通濾波器、低通濾波器和調(diào)諧放大器,以便對混 雜在被測信號內(nèi)的干擾和噪聲先進行一定的抑制,然后再輸給PSD以增強整個鎖相放大器對噪聲和干擾的抑制水平

8、.圖2 PSD的諧波響應(yīng)1.3鎖相放大器的根本工作原理鎖相放大器是采用相干技術(shù)制成的微弱信號檢測儀器,其根本結(jié)構(gòu)由信號通道、參考(1)信號通道待檢測的微弱信號和噪聲混合在一起輸入低噪聲前置放大器,經(jīng)放大后進入前置濾波器,前置濾波器可以是低通、高通、帶通或帶阻濾波器,或者用這些濾波器的兩種或兩種以上的組合構(gòu)成寬帶或窄帶濾波特性,用于預防在嚴重的噪聲或干擾條件下使PSD出現(xiàn)過載,濾波后的信號經(jīng)過調(diào)諧交流放大器放大到PSD所需電平后輸入 PSD2參考通道參考通道用于產(chǎn)生相干檢測所需的和被測信號同步的參考信號.參考通道首先把和被測信號同頻率的任何一種波形的輸入信號轉(zhuǎn)換為占空比為1:1的方波形號,其頻率

9、和輸入移相器的參考信號的頻率 fr相同.現(xiàn)代的鎖相放大器還可以給出頻率為2fr的方波信號,主要用于微分測量中相移電路可以精密地調(diào)節(jié)相位2,使PSD中混頻器的兩個輸入信號的相位差嚴格為零,獲得最大的檢波直流輸出.方波信號通過移相器改變其相位,使得PSD輸入的參考信號與被測信號同相位,即=0.鎖相放大器的PSD的直流輸出信號一般要再經(jīng)過濾波和直流放大,最后輸出給測量儀表等. 1.4鎖相放大器的主要特征參量 1等效噪聲帶寬4所示為了定量分析放大器抑制噪聲的水平,我們先引入等效噪聲帶寬的概念.如圖的最簡單的RC低通濾波器,附 jU& U它以復數(shù)表示的傳輸系數(shù)即輸出輸入信號之比為111 j RC它的模為

10、2RC122 fRC(8)其等效噪聲帶寬為Bn,lpf 02df2dfRC1 (Hz) 4RC(9)可見RC低通濾波器的等效噪聲帶寬B和時間常數(shù) RC反比.顯然,對于任何傳輸系數(shù)為侔K0 / 1 j RC 的低通濾波器為實數(shù),等效噪聲帶寬B都等于1/4 RC 對于PSD考慮到在基波附近f的輸入噪聲都將在輸出端產(chǎn)生噪聲分量,故PSD的基波等效噪聲帶寬應(yīng)為 RC低通濾波器等效噪聲帶寬的 2倍,即：f ni=2B=1/2 RC(10)對于白噪聲,由于諧波響應(yīng)使鎖相放大器總的等效噪聲帶寬為:fNo2n 0 2n 1 2RC 822fN1 (11)16RC 16T從抑制噪聲的角度看,時間常數(shù) RC1大越

11、/K但 RC大,放大器反響速度也越慢, 幅度變化較快的信號的測量將受到限制.所以在鎖相放大器中用減小帶寬來抑制噪聲是以 犧牲響應(yīng)速度為代價的.在測量中應(yīng)根據(jù)被測信號情況,選擇適當?shù)臅r間常數(shù),而不能無 限度地追求越大越好.(2)信噪比改善信噪比改善是指系統(tǒng)輸入端信噪比Ui/VNi與輸出彳t噪比W/Vno的比值,鎖相放大器的信噪比改善常用輸入信號的噪聲帶寬與PSD的輸出噪聲帶寬之比的平方根表示：SNIR Vs0 /Vno1fL. (12)Vsi /VNi fN0(3)動態(tài)儲藏動態(tài)儲藏=20lg(OVL/FS)(dB)是指比滿刻度輸入信號大這么多倍(以分貝為單位)輸入 噪聲仍然能夠被儀器抑制.其中O

12、VL為最大過載電平,FS為滿刻度信號輸入電平.(4)動態(tài)范圍輸出動態(tài)范圍=20lg(FS/MDS)(dB)是指在確定的靈敏度條件下滿刻度輸出時的輸入信號大小與最小可分辨信號大小之比.其中MDS最小可分辨信號電平.(5)輸入總動態(tài)范圍輸入總動態(tài)范圍=20lg(OVL/MDS)(dB)是指在確定的靈敏度條件下,最大噪聲信號大小與最小可分辨信號大小之比,它是評價儀器從噪聲中提取信號水平的主要參數(shù).它們之間 關(guān)系可以用圖4表示.動態(tài)儲藏1 輸入總動態(tài)范輸出動態(tài)范圖4 動態(tài)范圍與動態(tài)儲藏二實驗儀器圖5是ND-501型微弱信號檢測實驗綜合裝置的面板圖,該裝置把微弱信號檢測技術(shù) 的根本實驗部件裝在一個插件盒

13、內(nèi),由一個能同時插四個插件盒的帶電源的機箱,通過插 入不同的實驗部件盒組成不同類型的微弱信號檢測儀器.多點信號 平均器同步 積分器相關(guān)器交流直流 噪聲電壓表 口電 源O頻率計1025目多功能 信號源0 寬帶移相器 . 相位計125O .電 源Q低噪聲 前置放大器選頻 放大器有源低通、高通濾波器跟蹤 濾波器電 源O圖5 ND-501型微弱信號檢測實驗綜合裝置三實驗內(nèi)容3.1 相敏檢波器PSD輸出波形觀察和電壓測量按圖7接線,置交流放大倍數(shù)為1,直流放大倍數(shù)為 10,相關(guān)器低通濾波時間常數(shù)置1秒,調(diào)節(jié)寬帶移相器的相移量,用示波器觀察信號、參考信號及PSD的輸出波形并分析它們之間的關(guān)系,測量相關(guān)器輸

14、出直流電壓大小與信號、參考信號之間幅值及相位差的關(guān)系,用相位計測量值大小,記錄參考信號和輸入信號的相位差分別為0、90、180、270時,PSD輸出直流信號 那么在示波器上輸出的波形.與圖圖7相關(guān)器PSD波形觀測1比擬,分析相關(guān)器的原理.3.2 相關(guān)器的諧波響應(yīng)的測量與觀察分頻輸出,多功能信號1/n次倍.將圖7中寬帶移相器的輸入信號接至多功能信號源的“倍頻 源功能“選擇置“分頻,此時,參考信號的頻率為信號頻率的先置分頻數(shù)為1,調(diào)節(jié)移相器的相移,使輸出直流電壓最大,記錄輸出直流電壓的大 小.改變n的數(shù)值分別為2, 3, 4, 5 ,進行上述測量,根據(jù)測量結(jié)果畫出相關(guān)器對諧波 的響應(yīng)圖.四數(shù)據(jù)處理

15、和實驗結(jié)果注：實驗室圖像顯示的相位角與理論的相差180.,在這里給其糾正為理論值對應(yīng)的圖像.(1)相敏檢波器PSD輸出波形和電壓測量藍色線為 VB黃色線為 VA藍色線為 V1,黃色線為 VB圖像(2)測量相關(guān)器輸出直流電壓大小與信號、參考信號之間幅值及相位差表5在不改變輸入佶號的幅值,f#況下記錄直流電壓udc和相位差少的關(guān)系 j的大小090180270u dc1.0350-1.0040(3)相關(guān)器的諧波響應(yīng)的測量與觀察表7分頻時數(shù)出直流電壓值與分頻時相關(guān)器對諧波的響應(yīng)圖n值12直流電壓值-1 . 023V-0.035mV圖像n值直流電壓值圖像n值直流電壓值圖像直流電壓值圖像3-0.369V5

16、-0.224V-0.040mV1 JUJU HUu6-0.040mV78-0.1081V-0.042mVn值9直流電壓值-0.15V圖像k11In 1 1lT.卻任由n從上表可見,當分頻時,參考信號的頻率為信號頻率的1/n,且n為偶數(shù)時,輸出直流電壓近于零,而n為奇數(shù)時,輸出電壓會有直流局部,并且隨著n的增大,直流局部減小.并且電壓值大概也是 N=1時的1/N.與分頻大小相對應(yīng)這說明被測信號中的奇次諧波成分 在輸出信號中仍占有一定比例,或者說相關(guān)器對奇次諧波的抑制水平有一定限度,并且隨 著奇數(shù)的增大,抑制水平越來越強.從圖像中還可觀察到 N為奇數(shù)時每隔N-1/2個峰值會出現(xiàn)一個幅度為變?yōu)榍懊嬉?/p>