鎖相放大器試驗(yàn)報(bào)告

1、鎖相放大器實(shí)驗(yàn)報(bào)告【摘要】 隨著科學(xué)技術(shù)的開展,微弱信號(hào)的檢測越來越重要.微弱信號(hào)檢測是利用電子學(xué)、信息論、物理學(xué)和電子計(jì)算機(jī)的綜合技術(shù).它是在熟悉噪聲與信號(hào)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(hào)提取出來的一門新興技術(shù)學(xué)科.鎖相放大器就是 檢測淹沒在噪聲中微弱信號(hào)的儀器.它可用于測量交流信號(hào)的幅度和位相,有極強(qiáng)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(jí)的微弱信號(hào).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(hào)從噪聲中提取出來.本實(shí)驗(yàn)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(hào)放大；PSD

2、俞出波形；諧波響應(yīng)一實(shí)驗(yàn)原理1.1 噪聲在物理學(xué)的許多測量中,常常遇到極微弱的信號(hào).這類信號(hào)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(hào)的隨機(jī)漲落的電壓或電流.噪聲的來 源非常廣泛復(fù)雜,有的來自測量時(shí)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(yùn)動(dòng)的漲落現(xiàn)象引起的.從理論上講漲落現(xiàn)象永遠(yuǎn)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(hào)檢測的根底是被測信號(hào)在時(shí)間上具有前后相關(guān)性的特點(diǎn).相關(guān)反映了兩個(gè)函數(shù)有一定的關(guān)系,

3、如果兩個(gè)函數(shù)的乘積對(duì)時(shí)間的積分不為零,那么說明這兩個(gè)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(hào)檢測中一般都采用抗干擾水平強(qiáng)的互相關(guān)檢測.設(shè)信號(hào)f1(t)為被檢信號(hào)U(t)和噪聲Vn(t)的疊加,f2(t)為與被檢信號(hào)同步的參考信號(hào) 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(hào)V()不相關(guān),故Rr( )=0,所以R2( )=Rr().鎖相放大器 通過直接實(shí)現(xiàn)計(jì)算相關(guān)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)從噪聲中檢測到被淹沒信號(hào).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(shí)際上是一個(gè)乘法器.加在信號(hào)輸入端的信號(hào)經(jīng)濾波器和調(diào) 諧放大器后加到 PSD的一個(gè)輸入端.在參考輸入端加一個(gè)與被測信號(hào)頻率相同的正弦(或 方波)信號(hào),經(jīng)觸發(fā)整形和移相變成方波信號(hào),加到PSD的另一個(gè)輸入端.假設(shè)加在PSD上的被測信號(hào)為Ui,加在PSD上的方波參考信號(hào) ur幅度為1,假設(shè)用傅里葉 級(jí)數(shù)展開,那么方波的表達(dá)式為4ur - T： 冗 n 0 2n sin 2n i 1(n=0, 1,2).于是PSD的輸出信號(hào)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(hào)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(hào)的基波頻率與被測信號(hào)的頻率是相等的,即時(shí)PSD的輸出信號(hào)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(hào)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(hào)和參考信號(hào)之間的位相差=0時(shí),輸出信號(hào)最大2,udc -Ui冗 (5)有關(guān).當(dāng)可見,輸出信號(hào)大小還和被測信號(hào)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(hào)與被測信號(hào)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(shí), 擾信號(hào)時(shí), 的波形.Udc=0.由以上討論可以看出,在被測信號(hào)中假設(shè)混雜有相同頻率而不同位相的干經(jīng)過PSD會(huì)受到一定的抑制.畫出了具有幾個(gè)典型數(shù)值時(shí)的Ui、Ur和UoPSDOPSD=0,從而輸出到達(dá)最大值,經(jīng)過校準(zhǔn)一般讓輸出最大時(shí)代表輸入信號(hào)的有效值.當(dāng)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(shí)的Ui、Ur、UoPSD 和 Udc 波形3 r= i的情況,這時(shí)從3式進(jìn)一步可以

7、看出,假設(shè)輸入信號(hào)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(hào)中的奇次諧波成分在輸出信號(hào)中仍占有一定比例,或者說,PSD-LPF系統(tǒng)對(duì)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(shí)際的鎖 相放大器內(nèi),在信號(hào)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(duì)混 雜在被測信號(hào)內(nèi)的干擾和噪聲先進(jìn)行一定的抑制,然后再輸給PSD以增強(qiáng)整個(gè)鎖相放大器對(duì)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(hào)檢測儀器,其根本結(jié)構(gòu)由信號(hào)通道、參考(1)信號(hào)通道待檢測的微弱信號(hào)和噪聲混合在一起輸入低噪聲前置放大器,經(jīng)放大后進(jìn)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(yù)防在嚴(yán)重的噪聲或干擾條件下使PSD出現(xiàn)過載,濾波后的信號(hào)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(hào)同步的參考信號(hào).參考通道首先把和被測信號(hào)同頻率的任何一種波形的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比為1:1的方波形號(hào),其頻率

9、和輸入移相器的參考信號(hào)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(hào),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(gè)輸入信號(hào)的相位差嚴(yán)格為零,獲得最大的檢波直流輸出.方波信號(hào)通過移相器改變其相位,使得PSD輸入的參考信號(hào)與被測信號(hào)同相位,即=0.鎖相放大器的PSD的直流輸出信號(hào)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(fù)數(shù)表示的傳輸系數(shù)即輸出輸入信號(hào)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(shí)間常數(shù) RC反比.顯然,對(duì)于任何傳輸系數(shù)為侔K0 / 1 j RC 的低通濾波器為實(shí)數(shù),等效噪聲帶寬B都等于1/4 RC 對(duì)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(duì)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(shí)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(hào)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(jià)的.在測量中應(yīng)根據(jù)被測信號(hào)情況,選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)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(hào)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(dòng)態(tài)儲(chǔ)藏動(dòng)態(tài)儲(chǔ)藏=20lg(OVL/FS)(dB)是指比滿刻度輸入信號(hào)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(hào)輸入電平.(4)動(dòng)態(tài)范圍輸出動(dòng)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(shí)的輸入信號(hào)大小與最小可分辨信號(hào)大小之比.其中MDS最小可分辨信號(hào)電平.(5)輸入總動(dòng)態(tài)范圍輸入總動(dòng)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(hào)大小與最小可分辨信號(hào)大小之比,它是評(píng)價(jià)儀器從噪聲中提取信號(hào)水平的主要參數(shù).它們之間 關(guān)系可以用圖4表示.動(dòng)態(tài)儲(chǔ)藏1 輸入總動(dòng)態(tài)范輸出動(dòng)態(tài)范圖4 動(dòng)態(tài)范圍與動(dòng)態(tài)儲(chǔ)藏二實(shí)驗(yàn)儀器圖5是ND-501型微弱信號(hào)檢測實(shí)驗(yàn)綜合裝置的面板圖,該裝置把微弱信號(hào)檢測技術(shù) 的根本實(shí)驗(yàn)部件裝在一個(gè)插件盒

13、內(nèi),由一個(gè)能同時(shí)插四個(gè)插件盒的帶電源的機(jī)箱,通過插 入不同的實(shí)驗(yàn)部件盒組成不同類型的微弱信號(hào)檢測儀器.多點(diǎn)信號(hào) 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(jì)1025目多功能 信號(hào)源0 寬帶移相器 . 相位計(jì)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(hào)檢測實(shí)驗(yàn)綜合裝置三實(shí)驗(yàn)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(shí)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(hào)、參考信號(hào)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(hào)、參考信號(hào)之間幅值及相位差的關(guān)系,用相位計(jì)測量值大小,記錄參考信號(hào)和輸入信號(hào)的相位差分別為0、90、180、270時(shí),PSD輸出直流信號(hào) 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(hào)1/n次倍.將圖7中寬帶移相器的輸入信號(hào)接至多功能信號(hào)源的“倍頻 源功能“選擇置“分頻,此時(shí),參考信號(hào)的頻率為信號(hào)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(jìn)行上述測量,根據(jù)測量結(jié)果畫出相關(guān)器對(duì)諧波 的響應(yīng)圖.四數(shù)據(jù)處理

15、和實(shí)驗(yàn)結(jié)果注：實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的圖像.(1)相敏檢波器PSD輸出波形和電壓測量藍(lán)色線為 VB黃色線為 VA藍(lán)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(hào)、參考信號(hào)之間幅值及相位差表5在不改變輸入佶號(hào)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(shí)數(shù)出直流電壓值與分頻時(shí)相關(guān)器對(duì)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(dāng)分頻時(shí),參考信號(hào)的頻率為信號(hào)頻率的1/n,且n為偶數(shù)時(shí),輸出直流電壓近于零,而n為奇數(shù)時(shí),輸出電壓會(huì)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(shí)的1/N.與分頻大小相對(duì)應(yīng)這說明被測信號(hào)中的奇次諧波成分 在輸出信號(hào)中仍占有一定比例,或者說相關(guān)器對(duì)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(qiáng).從圖像中還可觀察到 N為奇數(shù)時(shí)每隔N-1/2個(gè)峰值會(huì)出現(xiàn)一個(gè)幅度為變?yōu)榍懊嬉?/p>