第四章鎖定放大器及其在實(shí)際中的應(yīng)用

1、微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器回顧：調(diào)制放大與解調(diào)回顧：調(diào)制放大與解調(diào)對(duì)于緩變信號(hào)或直流信號(hào)，傳感器及放大器的低頻噪聲及漂移對(duì)于緩變信號(hào)或直流信號(hào)，傳感器及放大器的低頻噪聲及漂移也會(huì)被放大；簡(jiǎn)單的電容隔直能有效抑制漂移及低頻噪聲，但也會(huì)被放大；簡(jiǎn)單的電容隔直能有效抑制漂移及低頻噪聲，但對(duì)低頻的有用信號(hào)也有衰減。對(duì)低頻的有用信號(hào)也有衰減。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Sign

2、al Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器1.概述自從1962年，美國(guó)EG&G PARC公司制作了第一臺(tái)鎖相放大器(LIA)的后，微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)得到了突破性的發(fā)展。后來(lái)又出現(xiàn)了模擬鎖相放大器(ALIA) 和數(shù)字鎖相放大器(DLIA) 。對(duì)于數(shù)字鎖相放大器而言，又出現(xiàn)基于單片機(jī)的DLIA 和基于專(zhuān)用DSP的DLIA 。還有基于PC 的系統(tǒng)級(jí)模塊化DLIA ，這種鎖相的算法是采用C， C+等語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的。由于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在PC平臺(tái)上，所以可以使用各種仿真軟件對(duì)算法進(jìn)行

3、研究。 模擬鎖相放大器數(shù)字鎖相放大器微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器2. 鎖定放大器抑制噪聲的基本出發(fā)點(diǎn)( 1 )用調(diào)制器將直流或慢變信號(hào)的頻譜遷移到調(diào)制頻率處,再進(jìn)行放大, 以避開(kāi)1 /f 噪聲的不利影響；鎖定放大器對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行遷移的過(guò)程（a）調(diào)制過(guò)程 （b）相敏檢測(cè)過(guò)程微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器( 2 )利用相關(guān)器實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，同時(shí)檢測(cè)頻率和相位，噪聲 與信號(hào)同頻又同相的概率很小；通過(guò)數(shù)算在某時(shí)間間隔 內(nèi)重復(fù)事件發(fā)生的次數(shù) n

4、，就可以獲得這重復(fù)事件發(fā)生的頻率: f = n / 微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器（3）利用低通濾波器(Low-Pass Filter, LPF)來(lái)抑制噪聲，低通濾波器的頻帶可以做的較窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也大大地提高。 定義：讓某一頻率以下的信號(hào)分量通過(guò)，而對(duì)該頻率以上的信號(hào)分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置。 微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器鎖定放大器繼承了調(diào)制放大器使用交流放大，而不使用直鎖定放大器繼承了調(diào)

5、制放大器使用交流放大，而不使用直流放大的原理，從而避開(kāi)了幅度較大的流放大的原理，從而避開(kāi)了幅度較大的1/f噪聲；同時(shí)，又用噪聲；同時(shí)，又用相敏檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)解調(diào)，用穩(wěn)定性更高的低通濾波器取代帶通相敏檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)解調(diào)，用穩(wěn)定性更高的低通濾波器取代帶通濾波器實(shí)現(xiàn)窄帶化過(guò)程，從而使檢測(cè)性能大為改善。濾波器實(shí)現(xiàn)窄帶化過(guò)程，從而使檢測(cè)性能大為改善。鎖放的噪聲帶寬可達(dá)鎖放的噪聲帶寬可達(dá)0.0004Hz，整體增益可高達(dá)，整體增益可高達(dá)1011以上，以上，所以所以0.1nV的微弱信號(hào)可放大到的微弱信號(hào)可放大到10V以上。以上。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相

6、放大器鎖相放大器3. 鎖相放大器的基本原理鎖相放大器是以相關(guān)檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用互相關(guān)的原理設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測(cè)儀。它是一種對(duì)檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備，利用參考信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相關(guān)，與噪聲頻率不相關(guān)，從而從噪聲中提取有用信號(hào)。它是把交流分量放大并變成相應(yīng)的直流信號(hào)輸出。是從強(qiáng)噪聲中提取弱信號(hào)的重要手段。在國(guó)外常把這類(lèi)儀器稱(chēng)為鎖定放大器(Lock-in Amplifier) ?？衫斫鉃?把待測(cè)信號(hào)中與參考信號(hào)同步的信號(hào)放大并檢測(cè)出來(lái)。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器經(jīng)過(guò)調(diào)制m送入鎖相放大器(t)I信

7、號(hào)恢復(fù)(t)I 隨時(shí)間緩變的信號(hào)信號(hào)輸入?yún)⒖夹盘?hào)m輸出信號(hào)（與信號(hào)幅度成正比，與相對(duì)相位有關(guān)）Lock-in鎖相放大器的工作過(guò)程微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器斬光器，通常調(diào)制頻率為幾百赫茲微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 兩個(gè)具有確定頻率和相位的周期性信號(hào)，它們的相關(guān)特性可以用互相關(guān)函數(shù)來(lái)表達(dá)：互相關(guān)函數(shù) ttftfTRTTTd)()(21)(2112lim式中f1(t) 和 f2(t)為兩個(gè)周期信號(hào)，為兩個(gè)信號(hào)之間的任意延遲時(shí)間，T為平均積分時(shí)

8、間（或稱(chēng)為時(shí)間常數(shù)）。 微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 可以證明，只有當(dāng) f1(t) 和 f2(t) 為同頻信號(hào)時(shí)，才可能有較大的輸出值。鎖相放大器正是利用了這個(gè)特性，在隨時(shí)間的演變過(guò)程中兩個(gè)同頻信號(hào)可以相互關(guān)聯(lián)，而噪聲作為隨機(jī)變量與被測(cè)信號(hào)不相關(guān)聯(lián)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間積分平均后對(duì)周期性重復(fù)信號(hào)的累計(jì)要比對(duì)隨機(jī)噪聲的累計(jì)大得多，從而有可能將深埋于噪聲背景中的信號(hào)取出，這就是相關(guān)檢測(cè)方法能提高信噪比的原因。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 我們可以按照上式

9、來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)電路，其方框圖如下， f1(t) 和 f2(t) 為周期函數(shù)：相關(guān)檢測(cè)方框圖f1(t)f2(t)延時(shí)器乘法器積分器T輸出ttftfTRTTTd)()(21)(2112lim微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 如果兩個(gè)信號(hào)的頻率分別為1和2，并記為：)sin()()sin()()(22221111tVtSttVtSS1(t) 和 S2(t) 的互相關(guān)函數(shù)為： ttTVVttTVVtttVVTtRTTTTTTTTTdcos4dcos4d)sin()sin(21)(21212212121222112112limliml

10、im微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器ttTVVtRTTTdcos4)(212112lim相關(guān)檢測(cè)的輸出信號(hào)：兩個(gè)信號(hào)頻率不等的情況下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間積分平均后輸出必定為零，說(shuō)明頻率不等的兩個(gè)信號(hào)是不相關(guān)的。只有當(dāng)兩個(gè)信號(hào)頻率完全相等（1=2） 時(shí)，才有相關(guān)信號(hào)輸出： )cos(2)()(2112VtVR微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 上式說(shuō)明當(dāng)輸入信號(hào)與參考信號(hào)頻率相等時(shí)，相關(guān)檢測(cè)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅度V1(t)成正比，還與兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)相位 有

11、關(guān)。鎖相放大器就是基于相關(guān)檢測(cè)的原理，將與參考信號(hào)同頻的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，而把與參考信號(hào)不同頻的噪聲或干擾信號(hào)抑制掉，從而提高了測(cè)量的信噪比。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器鎖相放大器采用的是外差式振蕩技術(shù)，它把被測(cè)量的信號(hào)通過(guò)頻率變換的方式轉(zhuǎn)變成為直流。即利用鎖相放大器中的信號(hào)相關(guān)原理，對(duì)兩個(gè)混有噪聲的周期信號(hào)進(jìn)行相乘和積分處理后，將信號(hào)從噪聲中檢測(cè)出來(lái)，并達(dá)到通過(guò)互相關(guān)運(yùn)算削弱噪聲影響的目的。鎖相放大器的工作原理微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器如果

12、是一個(gè)2Hz和一個(gè)0.1Hz的信號(hào)相乘，用乘法器相乘得到的結(jié)果是一個(gè)交流調(diào)制波，基頻是2Hz，幅頻是0.1Hz 只有與參考信號(hào)頻率完全一致的信號(hào)才能在乘法器輸出端得到直流偏量，其他信號(hào)在輸出端都是交流信號(hào)。如果在乘法器的輸出端加一個(gè)低通濾波器，那么所有的交流信號(hào)分量全部被濾掉，剩下的直流分量就只是正比于輸入信號(hào)中的特定頻率的信號(hào)分量的幅值。 微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器圖為典型的鎖相放大器原理構(gòu)成圖。一般鎖相放大器的組成分為三部分:信號(hào)通道、參考通道和相關(guān)器。被檢測(cè)的信號(hào)往往是很微弱的，并且伴隨的噪聲很大。信號(hào)通道的

13、作用是將伴有噪聲的微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相關(guān)器工作的電平，并兼有抑制和濾除部分干擾及噪聲功能，從而擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍。因此信號(hào)通道位于相關(guān)器之前，它由輸入變壓器、低噪聲前置放大器、各種功能的有源濾波器和主放大器等組成。傳統(tǒng)鎖相放大器的構(gòu)成原理微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 通常鎖定放大器的參考通道輸出是和信號(hào)同步的對(duì)稱(chēng)方波或正弦波，用以驅(qū)動(dòng)相關(guān)器的場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)。參考通道主要由觸發(fā)電路、倍頻電路、相移電路、方波形成電路及驅(qū)動(dòng)電路組成。參考觸發(fā)信號(hào)可在儀器內(nèi)部產(chǎn)生，也可從外部輸入，大部分產(chǎn)品由外部輸人。輸入波形可以是正弦波

14、、方波、三角波、脈沖波等各種周期信號(hào)。 相關(guān)器是一種完成被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)兩者互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算的電子線(xiàn)路。它必須具有動(dòng)態(tài)范圍大、漂移小、時(shí)間常數(shù)可調(diào)、線(xiàn)性好、增益穩(wěn)定和曲率范圍寬等性能。由相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，需要一個(gè)乘法器和積分器實(shí)現(xiàn)這一數(shù)學(xué)運(yùn)算，從理論上講用一個(gè)模擬乘法器和一個(gè)積分時(shí)間為無(wú)窮大的積分器，就可以把深埋在任意噪聲中的微弱信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 相敏檢測(cè)器（相關(guān)器）是鎖定放大器的核心部件，它實(shí)現(xiàn)了被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算。相敏檢測(cè)器有模擬乘法器式和電子開(kāi)關(guān)式，其中電子開(kāi)關(guān)式相

15、敏檢測(cè)器由于受到參考信號(hào)幅度波動(dòng)的影響較小，所以得到更廣泛的應(yīng)用。電子開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器的輸出等效為被測(cè)信號(hào)與幅度為1、占空比為50的方波信號(hào)r(t)的乘積。0( )cos()x tVt1014( 1)( )cos(21)21nnr tntn設(shè)輸入信號(hào)為：根據(jù)傅立葉變換，r(t)可用三角函數(shù)的形式表示：r(t)與 相乘的結(jié)果為：( )x t微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器1100112( 1)2( 1)cos(22)cos22121nnnnVVntntnn式右邊的第一項(xiàng)為差頻項(xiàng)，第二項(xiàng)為和頻項(xiàng)。經(jīng)過(guò)低通濾波器（LPF），所

16、有的和頻項(xiàng)與n1的差頻項(xiàng)都被濾除，最后濾波器的輸出為： 2( )cos( )oVu t說(shuō)明被測(cè)信號(hào)通過(guò)相敏檢測(cè)器(PSD)和低通濾波器(LPF)后，輸出正比于被測(cè)信號(hào)的幅度、同時(shí)正比于參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的相位差的余弦函數(shù)，此時(shí)，輸出最大。1001( )( )( )4( 1)cos()cos(21)21pnnutx tr tVtntn微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器模擬乘法器型相敏檢測(cè)器模擬乘法器型相敏檢測(cè)器 模擬乘法

17、型相敏檢測(cè)器的輸出up(t)是他的兩路輸入信號(hào)（被測(cè)調(diào)制信號(hào)x（t）與參考信號(hào)r（t）的乘積，即：( )( ) ( )putx t r t微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器X X（t t）與）與r r（t t）均為正弦波）均為正弦波0( )cos()sx tVt0( )cos()rr tVt0( )( ) ( )0.5cos0.5cos(2)psrsrutx t r tVVVVt微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器( )0.5cospsrutVV經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)

18、LPF后，得到輸出為：后，得到輸出為：微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器（1）幅頻特性）幅頻特性 如果被調(diào)制信號(hào)頻率s偏離參考信號(hào)頻率0 ，在相位=0時(shí) ( )cos()ssx tVt0( )cos()rr tVt0( )0.5cos()0.5cos()psrsrsutVVtVVt 經(jīng)過(guò)LPF后，和頻分量被濾除，只考慮低通濾波器對(duì) 的響應(yīng)。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器RCx(t)y(t)()arctan()jRC ( )0.5cos()psrut

19、VVt20.5( )cosarctan()1 ()sroVVu ttRCRC 一階一階RCRC低通濾波器電路低通濾波器電路微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 穩(wěn)態(tài)情況下arctan()tRC20.5( )cos()1 ()sroVVu ttRC 這說(shuō)明當(dāng)頻率相等時(shí)，有最大幅度輸出。當(dāng)頻率不等時(shí)，輸出幅度減小。低通濾波器的RC越大，輸出隨 的增大減小的越快，通頻帶寬越窄。|微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器（2）相敏特性）相敏特性 微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢

20、測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器適合于鎖相放大器檢測(cè)的信號(hào)應(yīng)該是單頻率的，或者說(shuō)傳導(dǎo)頻譜所占寬度是較窄的，也就是要求信號(hào)所攜帶的檢測(cè)量(信息)的變化是很緩慢的，否則檢出的信息就會(huì)因丟失高額分量而畸變。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 在光譜測(cè)量中，經(jīng)常遇到的是一種幅度隨時(shí)間緩慢變化的連續(xù)型信號(hào)V1(t)。在采用鎖相放大器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，先要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行某種調(diào)制，變換成一個(gè)與參考信號(hào)同頻率的交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)鎖相放大器同頻相檢后，將一個(gè)與V1(t)成正比的放大信號(hào)恢復(fù)出來(lái)，而隨輸

21、入信號(hào)一起攜帶進(jìn)來(lái)的干擾噪聲由于與參考信號(hào)頻率不同都被濾除了。 例：光譜測(cè)量過(guò)程微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器隨時(shí)緩慢變化的連續(xù)信號(hào)V1(t)經(jīng)過(guò)調(diào)制V1(t)sin(mt+1)經(jīng)過(guò)同頻參考信號(hào)解調(diào)和積分將V1(t)信號(hào)放大恢復(fù)出來(lái)鎖相放大器處理信號(hào)的過(guò)程微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器斬光器，通常調(diào)制頻率為幾百赫茲微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器光源斬光器探測(cè)器m參考信號(hào)

22、Lock-in信號(hào)輸出信號(hào)測(cè)量過(guò)程I(t)I(t)m微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 在使用過(guò)程中須注意對(duì)相位的調(diào)整，只有在某個(gè)恰當(dāng)?shù)南辔粭l件下有最大幅度的輸出信號(hào)。此外，積分時(shí)間常數(shù) T 的選取也很重要，時(shí)間常數(shù)T 越長(zhǎng)，相當(dāng)于低通濾波器的帶寬越窄，對(duì)噪聲的抑制能力越強(qiáng)。但由于我們所測(cè)量的是一個(gè)幅度緩慢變化的信號(hào) V1(t)，它仍然占有一定的頻帶寬度，因此，低通濾波器就需要有一定的帶寬，保證該信號(hào)通過(guò)。如果時(shí)間常數(shù) T 取得過(guò)長(zhǎng)，低通濾波器帶寬過(guò)窄，將會(huì)引起信號(hào) V1(t) 的失真。具體分析如下：微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢

23、測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器鎖相放大器對(duì)信噪比的改善程度（輸出信噪比與輸入信噪比的比例）為T(mén)nBnBinSNRoutSNR式中Bn為相敏檢波器前的等效噪聲帶寬。相敏檢波器和隨后的低通濾波器可以被看成一個(gè)帶寬非常窄的組合濾波器， 為低通濾波器的等效噪聲帶寬，由時(shí)間常數(shù) T 來(lái)決定。這樣，鎖相放大器對(duì)信噪比的改善程度大致為103106倍。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章

24、 鎖相放大器鎖相放大器微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器掃描單色儀聚焦透鏡PMT高壓電源記錄儀鎖相放大器參考信號(hào)信號(hào)斬光器Ne燈光譜燈電源輸出用鎖相放大器對(duì)Ne光譜進(jìn)行測(cè)量微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器頻率調(diào)制光譜方框圖電光晶體吸收樣品探測(cè)器鎖相放大器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)制驅(qū)動(dòng)源V參考輸入輸出掃描激光微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal

25、 Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 速度調(diào)制光譜測(cè)量方框圖入射激光放電吸收樣品池光探測(cè)器放電電源fm鎖相放大器fm信號(hào)輸出參考 fm放電電極微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器鎖相放大器（Lock-in amplifier)型號(hào)：EG&G 5101型 靈敏度：1V 補(bǔ)償調(diào)節(jié)：10滿(mǎn)度信號(hào)頻率：5Hz 100KHz 時(shí)間常數(shù)：1ms 30s微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 靈敏度： 1V250mV；頻率范圍： 5Hz100k

26、Hz； 輸入阻抗： 1M； 輸出幅度：1V，600 滿(mǎn)度； 補(bǔ)償調(diào)節(jié)：10 滿(mǎn)度信號(hào)； 參考信號(hào)：不小于200mVPP，最大不超過(guò)5VPP， 在1VPP時(shí)，相位角指示絕對(duì)值最準(zhǔn)確； 參考信號(hào)輸入阻抗： 1M； 時(shí)間常數(shù)： 1ms30s 可調(diào)。EG&G5101型鎖相放大器的參數(shù)微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 SR830 鎖相放大器信號(hào)輸入模擬輸出參考信號(hào)正弦波輸出A通道顯示B通道顯示參考信號(hào)顯示微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器SR830鎖相

27、放大器靈敏度：2nV 1V； 測(cè)量頻率：100KHz時(shí)間常數(shù)：10s 30s； 補(bǔ)償：10倍滿(mǎn)度值微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器 輸入滿(mǎn)刻度靈敏度 2nV - 1V； 輸入阻抗 10M+25pF, AC或DC耦合； 參考信號(hào)頻率范圍 1mHz 102kHz； 相位角度的誤差 1； 時(shí)間常數(shù) 10s 30s； 內(nèi)置振蕩器頻率范圍 1mHz 102kHz； 調(diào)零補(bǔ)償范圍(offset) 105%滿(mǎn)度值； 輸出擴(kuò)展 x 和 y 可以被擴(kuò)展10至100倍。 SR830鎖相放大器的主要指標(biāo) 微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak

28、Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器鎖相放大器的性能指標(biāo)（1）滿(mǎn)刻度輸出時(shí)的輸入電平）滿(mǎn)刻度輸出時(shí)的輸入電平FS （Full scale input level）FS表征了鎖放的測(cè)量靈敏度，它取決于系統(tǒng)的總增益。表征了鎖放的測(cè)量靈敏度，它取決于系統(tǒng)的總增益。例如，增益為例如，增益為108，滿(mǎn)刻度輸出為，滿(mǎn)刻度輸出為10V，則，則FS輸入電平為輸入電平為0.1uV。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器（2）過(guò)載電平）過(guò)載電平OVL（overload）使使LIA任何一級(jí)出現(xiàn)臨界過(guò)載的輸入信號(hào)電平。

29、當(dāng)輸入信任何一級(jí)出現(xiàn)臨界過(guò)載的輸入信號(hào)電平。當(dāng)輸入信號(hào)或噪聲超過(guò)號(hào)或噪聲超過(guò)OVL時(shí)，系統(tǒng)將引起非線(xiàn)性失真。為使噪聲不時(shí)，系統(tǒng)將引起非線(xiàn)性失真。為使噪聲不至于導(dǎo)致至于導(dǎo)致LIA過(guò)載引起非線(xiàn)性失真，其過(guò)載引起非線(xiàn)性失真，其OVL應(yīng)遠(yuǎn)大于應(yīng)遠(yuǎn)大于FS。噪聲波形不規(guī)則，不同波形噪聲其噪聲系數(shù)不同，所以噪聲波形不規(guī)則，不同波形噪聲其噪聲系數(shù)不同，所以O(shè)VL不用均方根、有效值來(lái)衡量，而用峰值來(lái)度量。不用均方根、有效值來(lái)衡量，而用峰值來(lái)度量。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器（3）最小可測(cè)信號(hào)）最小可測(cè)信號(hào)MDS（minimum di

30、scernible signal）輸出能分辨的最小輸入信號(hào)，是測(cè)量值的下限。輸出能分辨的最小輸入信號(hào)，是測(cè)量值的下限。MDS主主要取決于系統(tǒng)漂移（溫漂、時(shí)漂），輸出端的漂移量折合到要取決于系統(tǒng)漂移（溫漂、時(shí)漂），輸出端的漂移量折合到輸入端即為輸入端即為MDS。當(dāng)輸入信號(hào)幅度小于當(dāng)輸入信號(hào)幅度小于MDS，它會(huì)被，它會(huì)被LIA直流通道的漂移直流通道的漂移所掩蓋，被測(cè)信號(hào)幅值不能被測(cè)量出來(lái)。所掩蓋，被測(cè)信號(hào)幅值不能被測(cè)量出來(lái)。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器（4）輸入總動(dòng)態(tài)范圍）輸入總動(dòng)態(tài)范圍在給定測(cè)量靈敏度條件下，在給定測(cè)量

31、靈敏度條件下，LIA的的OVL與與MDS之比的分之比的分貝值：貝值：輸入總動(dòng)態(tài)范圍輸入總動(dòng)態(tài)范圍=20lg(OVL/MDS) （dB）它是評(píng)價(jià)它是評(píng)價(jià)LIA從噪聲檢測(cè)信號(hào)的極限指標(biāo)，反映從噪聲檢測(cè)信號(hào)的極限指標(biāo)，反映LIA允許允許的輸入噪聲最大峰值與可以測(cè)出的最小信號(hào)之間的關(guān)系。的輸入噪聲最大峰值與可以測(cè)出的最小信號(hào)之間的關(guān)系。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器（5）輸出動(dòng)態(tài)范圍）輸出動(dòng)態(tài)范圍滿(mǎn)刻度輸出時(shí)的輸入電平滿(mǎn)刻度輸出時(shí)的輸入電平FS與與MDS之比的分貝值：之比的分貝值：輸出動(dòng)態(tài)范圍輸出動(dòng)態(tài)范圍=20lg(FS/MD

32、S) （dB）它反映它反映LIA可以檢測(cè)出的有用信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。可以檢測(cè)出的有用信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。（6）動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備）動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備LIA的過(guò)載電平的過(guò)載電平OVL與滿(mǎn)刻度輸出時(shí)的輸入電平與滿(mǎn)刻度輸出時(shí)的輸入電平FS之比之比的分貝值：的分貝值：動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備=20lg(OVL/FS) （dB）它反映系統(tǒng)抵御干擾和噪聲的能力。它反映系統(tǒng)抵御干擾和噪聲的能力。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器輸入總動(dòng)態(tài)范圍輸入總動(dòng)態(tài)范圍=輸出總動(dòng)態(tài)范圍輸出總動(dòng)態(tài)范圍+動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection

33、)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器根據(jù)不同的用途可分類(lèi)為：根據(jù)不同的用途可分類(lèi)為：1.1.正交矢量型鎖定放大器正交矢量型鎖定放大器同相輸出：正交輸出： 被測(cè)信 的幅度和相位：微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器2.2.外差式鎖定放大器外差式鎖定放大器避免信號(hào)頻率特性改變時(shí)使得信號(hào)的頻率位于帶通濾波器的邊沿，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相

34、放大器 頻率合成器內(nèi)部有一個(gè)頻率為頻率合成器內(nèi)部有一個(gè)頻率為fifi的晶體振蕩器，其頻率穩(wěn)定的晶體振蕩器，其頻率穩(wěn)定性很高，再利用鎖相環(huán)（性很高，再利用鎖相環(huán)（PLLPLL）合成出）合成出f fi i+f+f0 0當(dāng)當(dāng)PLLPLL處于鎖定處于鎖定狀態(tài)狀態(tài)f f0 0=f=f0 0時(shí)，上圖閉環(huán)回路形成鎖相環(huán)。時(shí)，上圖閉環(huán)回路形成鎖相環(huán)。微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器1 1）振蕩與混頻：頻率合成器有兩個(gè)振蕩器，一個(gè)是晶體振蕩器，）振蕩與混頻：頻率合成器有兩個(gè)振蕩器，一個(gè)是晶體振蕩器，產(chǎn)生高度穩(wěn)定的產(chǎn)生高度穩(wěn)定的f fi i

35、；另一個(gè)是壓控振蕩器，輸出頻率為；另一個(gè)是壓控振蕩器，輸出頻率為f fi i+f+f0 0，頻率受頻率受VCOVCO輸入電壓輸入電壓VcVc的控制。這兩種頻率混頻相乘，產(chǎn)生差頻的控制。這兩種頻率混頻相乘，產(chǎn)生差頻f f0 0和和頻項(xiàng)和和頻項(xiàng)2f2fi i+f+f0 0，經(jīng)，經(jīng)LPFLPF輸出給鑒相器。輸出給鑒相器。2 2）鑒相：參考通道的）鑒相：參考通道的f f0 0與與LPFLPF的正弦波的正弦波f f0 0在鑒相器中進(jìn)行鑒相，在鑒相器中進(jìn)行鑒相，當(dāng)當(dāng)f f0 0=f=f0 0且兩者同相，鑒相器輸出電壓為且兩者同相，鑒相器輸出電壓為0 0，積分器輸出為，積分器輸出為0 0，VCOVCO振蕩頻

36、率不變，鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)。振蕩頻率不變，鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)。 當(dāng)當(dāng)f f0 0fff0 0時(shí)，鑒相器輸出電壓為正，經(jīng)積分放大給時(shí)，鑒相器輸出電壓為正，經(jīng)積分放大給VCOVCO降低輸出降低輸出頻率，從而使頻率，從而使f f0 0趨于趨于f f0 0 ，直到，直到f f0 0=f=f0 0 ，此時(shí)環(huán)路達(dá)到新平衡。，此時(shí)環(huán)路達(dá)到新平衡。 微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器3.3.微機(jī)化數(shù)字式相敏檢測(cè)器微機(jī)化數(shù)字式相敏檢測(cè)器微弱信號(hào)檢測(cè)微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection)第四章第四章 鎖相放大器鎖相放大器1 1）DPSDDPSD中用存儲(chǔ)器或寄存器來(lái)保持信息，不會(huì)因時(shí)間長(zhǎng)而丟失，中用存儲(chǔ)器或寄存器來(lái)保持信息，不會(huì)因時(shí)間長(zhǎng)而丟失，而且存儲(chǔ)空間大；時(shí)間常數(shù)具有很大的變化范圍，等效噪聲帶寬而且存儲(chǔ)空間大；時(shí)間常數(shù)具有很大