第三部分 鎖定放大電路設計與應用

1、 鎖定放大電路設計與應用 第四章 鎖定放大電路設計與應用4.1 鎖定放大概述鎖定放大概述4.2 相敏檢測相敏檢測4.3 鎖定放大器的組成與部件鎖定放大器的組成與部件4.4 性能指標與動態(tài)協(xié)調性能指標與動態(tài)協(xié)調4.5 鎖定放大應用鎖定放大應用 鎖定放大電路設計與應用 4.1 鎖定放大概述 設混有噪聲的正弦調制信號為設混有噪聲的正弦調制信號為: :)()cos()()()(0tntVtntstxs 鎖定放大電路設計與應用 4.1 鎖定放大概述 鎖定放大器鎖定放大器(lock-in amplifier, LIA)自問世以來自問世以來,在在微弱信號檢測方面顯示出優(yōu)秀的性能微弱信號檢測方面顯示出優(yōu)秀的性

2、能,在科學研究的各在科學研究的各個領域得到了廣泛的應用個領域得到了廣泛的應用. 設混有噪聲的正弦調制信號為設混有噪聲的正弦調制信號為:)()cos()()()(0tntVtntstxs (1) (1) Q值非常高的帶通濾波器在實際中往往值非常高的帶通濾波器在實際中往往很難實現很難實現. (2) Q值高的值高的BPF往往往往不穩(wěn)定不穩(wěn)定，溫度、電源電壓的波，溫度、電源電壓的波動均會使濾波器的中心頻率發(fā)生變化動均會使濾波器的中心頻率發(fā)生變化,從而導致其通從而導致其通頻帶不能覆蓋信號頻率頻帶不能覆蓋信號頻率,使得測量系統(tǒng)無法可靠地進使得測量系統(tǒng)無法可靠地進行測量行測量. 鎖定放大電路設計與應用 4.

3、1 鎖定放大概述 鎖定放大器抑制噪聲有鎖定放大器抑制噪聲有3個基本出發(fā)點個基本出發(fā)點: (1) 用用調制器調制器將直流或慢變信號的頻譜遷移到調制頻將直流或慢變信號的頻譜遷移到調制頻率率 處處,再進行放大再進行放大,以避開以避開1/f噪聲噪聲的不利影響的不利影響.0 (2) 利用利用相敏檢測器相敏檢測器實現調制信號的解調過程實現調制信號的解調過程,可以同可以同時利用頻率和相角進行檢測時利用頻率和相角進行檢測,噪聲與信號同頻又同相噪聲與信號同頻又同相的概率很低的概率很低. (3) 用用低通濾波器低通濾波器而不是用帶通濾波器來抑制寬帶噪而不是用帶通濾波器來抑制寬帶噪聲聲.LPF的頻帶可以做得很窄的頻

4、帶可以做得很窄,而且其頻帶寬度不受調而且其頻帶寬度不受調制頻率的影響制頻率的影響,穩(wěn)定性也遠遠優(yōu)于穩(wěn)定性也遠遠優(yōu)于BPF. 鎖定放大電路設計與應用 4.1 .1 鎖定放大器中的頻譜遷移 (1) 鎖定放大器繼承了鎖定放大器繼承了調制放大器調制放大器使用交流放大使用交流放大,而不使而不使用直流放大的原理用直流放大的原理,從而避開了幅度較大的從而避開了幅度較大的1/f噪聲噪聲; (2) 同時又用同時又用相敏檢測器相敏檢測器實現解調實現解調,用穩(wěn)定性更高的用穩(wěn)定性更高的低通低通濾波器濾波器實現窄帶化過程實現窄帶化過程,從而使檢測系統(tǒng)的性能大為改從而使檢測系統(tǒng)的性能大為改善善. 鎖定放大電路設計與應用

5、4.1 .2 鎖定放大器中的工作原理 (1) 信號通道信號通道對調制正弦信號輸入進行交流放大對調制正弦信號輸入進行交流放大,將微將微弱信號放大到足以推動相敏檢測器工作的電平弱信號放大到足以推動相敏檢測器工作的電平,并且要并且要濾除部分干擾和噪聲濾除部分干擾和噪聲,以提高相敏檢測的動態(tài)范圍以提高相敏檢測的動態(tài)范圍. (2) 參考通道參考通道對參考輸入進行放大或衰減對參考輸入進行放大或衰減,以適應相敏以適應相敏檢測器對幅度的要求檢測器對幅度的要求. (3) PSD實現頻譜遷移過程實現頻譜遷移過程. 鎖定放大電路設計與應用 4.2 相敏檢測 相敏檢測器是鎖定放大器的核心部件相敏檢測器是鎖定放大器的核

6、心部件,它它既鑒幅既鑒幅,又鑒相又鑒相,其輸出不但取決于輸入信號的幅度其輸出不但取決于輸入信號的幅度,而且而且取決于輸入信號與參考信號的相位差取決于輸入信號與參考信號的相位差. (1)模擬乘法器型相敏檢測器模擬乘法器型相敏檢測器 (2)電子開關式相敏檢測器電子開關式相敏檢測器 鎖定放大電路設計與應用 4.2.1 模擬乘法器型相敏檢測器 (1) x(t)與與r(t)均為正弦波均為正弦波 (2) x(t) 為正弦波為正弦波,r(t)為方波為方波 (3) x(t) 為正弦波含單頻噪聲為正弦波含單頻噪聲,r(t)為正弦波為正弦波 (4) x(t) 為正弦波含窄帶噪聲為正弦波含窄帶噪聲,r(t)為正弦波

7、為正弦波 (5) x(t) 為正弦波含噪聲為正弦波含噪聲,r(t)為方波為方波 (6) x(t)與與r(t)均為方波均為方波p( )( )( )u tx tr t 鎖定放大電路設計與應用 (1) x(t)與r(t)均為正弦波00p0o( )cos()( )cos()( )( )( )0.5cos0.5cos(2)( )( )( )0.5cossrsrsrsrx tVtr tVtu tx tr tVVVVtu tx tr tVV 鎖定放大電路設計與應用 幅頻特性和相頻特性0p0o2( )cos()( )cos()( )( )( )0.5cos()0.5cos()0.5( )cos()1 ()ss

8、rsrsrssrx tVtr tVtu tx tr tVVtVVttVVu ttRC 鎖定放大電路設計與應用 等效噪聲帶寬ee112(Hz)42(rad/s)BRCRCBRC一階一階RC低通濾波器的低通濾波器的等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬為：為：1/(4RC)相敏檢測器的等效噪聲帶寬為其兩倍相敏檢測器的等效噪聲帶寬為其兩倍, 鎖定放大電路設計與應用 (2) x(t) 為正弦波,r(t)為方波 鎖定放大電路設計與應用 (3) x(t) 為正弦波含單頻噪聲,r(t)為正弦波00p000( )cos()cos()( )cos( )( )( )0.5cos0.5cos(2)0.5cos()0.5cos()

9、snnssnnnnx tVtVtr ttu tx tr tVVtVtVt 鎖定放大電路設計與應用 (4) x(t) 為正弦波含窄帶噪聲,r(t)為正弦波tVtrttnttntntntVtxrnsncs00cos)(sin)(cos)()()()cos()(窄帶噪聲及其正交分量的功率譜密度函數窄帶噪聲及其正交分量的功率譜密度函數 鎖定放大電路設計與應用 (4) x(t) 為正弦波含窄帶噪聲,r(t)為正弦波tVtrttnttntntntVtxrnsncs00cos)(sin)(cos)()()()cos()( 鎖定放大電路設計與應用 x(t)為正弦波含窄帶噪聲情況下的信噪改善比OiIe2SNRB

10、SNIRSNRB Bi為相敏檢波器前的為相敏檢波器前的選頻放大器選頻放大器的帶寬的帶寬,也是輸入到也是輸入到相敏檢測器的窄帶噪聲的帶寬相敏檢測器的窄帶噪聲的帶寬.Be為相敏檢測器的為相敏檢測器的等等效噪聲帶寬效噪聲帶寬. (1) Be可做到很窄可做到很窄, Bi不可能太窄不可能太窄,從而使得相敏檢測從而使得相敏檢測器的信噪改善比較大器的信噪改善比較大,具有很好的抑制噪聲作用具有很好的抑制噪聲作用. (2)即使即使Be =Bi,相敏檢測器的相敏特性也對不同相位相敏檢測器的相敏特性也對不同相位的噪聲具有一定的抑制作用的噪聲具有一定的抑制作用,噪聲和信號同頻又同相噪聲和信號同頻又同相的概率很低的概率

11、很低. 鎖定放大電路設計與應用 x(t)為正弦波含窄帶噪聲情況下的信噪改善比OiIe2SNRBSNIRSNRB (3) 上式表明上式表明,只要只要 ,就可以得到很大的信噪就可以得到很大的信噪改善比改善比.實際應用中實際應用中,模擬乘法器有可能進入其非模擬乘法器有可能進入其非線性區(qū)線性區(qū),稱之為稱之為PSD過載過載,這時輸出信噪比會迅速這時輸出信噪比會迅速惡化惡化. (4)太大的時間常數必然使系統(tǒng)的響應速度變慢太大的時間常數必然使系統(tǒng)的響應速度變慢,而且對被測信號的高頻成份衰減較大而且對被測信號的高頻成份衰減較大.eiBB 鎖定放大電路設計與應用 (5) x(t) 為正弦波含噪聲,r(t)為方波

12、 鎖定放大電路設計與應用 方波為參考信號的相敏檢測器的諧波響應 消除諧波響應不利影響的最常用方法消除諧波響應不利影響的最常用方法,是在是在信號通道中加入中心頻率為信號通道中加入中心頻率為 的帶通濾波器的帶通濾波器,利利用其窄帶濾波作用濾除各高次諧波處的噪聲用其窄帶濾波作用濾除各高次諧波處的噪聲.0 鎖定放大電路設計與應用 (6) x(t) 和r(t)都為方波o(1 2 /),0( )(2 / 3),2srsrVVuVV 鎖定放大電路設計與應用 4.2.2 電子開關型相敏檢測器 模擬乘法器型相敏檢測器的缺點模擬乘法器型相敏檢測器的缺點: (1) 為了保證輸出信號具有一定的精度為了保證輸出信號具有

13、一定的精度,必須保證參必須保證參考信號的幅度保持更高級的精度考信號的幅度保持更高級的精度,這在實際實現這在實際實現時可能有一定的困難時可能有一定的困難; (2) 有的模擬乘法器器件還存在一定的非線性有的模擬乘法器器件還存在一定的非線性,會會導致大的輸出誤差導致大的輸出誤差. 因此因此,目前定型的鎖定放大器商業(yè)產品均采用開關式目前定型的鎖定放大器商業(yè)產品均采用開關式相敏檢測器相敏檢測器. 鎖定放大電路設計與應用 4.2.2 電子開關型相敏檢測器 開關式相敏檢測器的優(yōu)點開關式相敏檢測器的優(yōu)點:(1)輸出幅度不受參考輸入信號幅度的影響輸出幅度不受參考輸入信號幅度的影響,而且沒而且沒有非線性的問題有非

14、線性的問題,動態(tài)范圍大動態(tài)范圍大,抗過載能力強抗過載能力強;(2) 電路簡單電路簡單,運行速度快運行速度快,有利于降低成本和提高系有利于降低成本和提高系統(tǒng)的工作速度統(tǒng)的工作速度. 鎖定放大電路設計與應用 (1) 變壓器式電子開關相敏檢測器a. 要注意要注意變壓器特性（頻率特性、分布參數特性）變壓器特性（頻率特性、分布參數特性）對相敏檢測器輸出的影響；對相敏檢測器輸出的影響；b. 要要采用高質量、低損耗的鐵芯材料；采用高質量、低損耗的鐵芯材料；c. 要要采取必要的屏蔽措施。采取必要的屏蔽措施。 鎖定放大電路設計與應用 (2) 運放式電子開關相敏檢測器a. 要注意要注意電子開關速度對工作頻率的限制

15、，以及電子電子開關速度對工作頻率的限制，以及電子開關注入電荷的不利影響；開關注入電荷的不利影響；b. 要要注意運放的工作速度、失調電壓對輸出的影響；注意運放的工作速度、失調電壓對輸出的影響；c. 要要確保反相和正相放大器的放大倍數相同，動態(tài)特確保反相和正相放大器的放大倍數相同，動態(tài)特性相似；性相似；d. 電子開關電子開關K的控制端波形的控制端波形必須是嚴格的方波必須是嚴格的方波。 鎖定放大電路設計與應用 (3) 電子開關相敏檢測器的鑒相特性o2( )cossVu t 鎖定放大電路設計與應用 (4) 開關式相敏檢測器與全波整流的不同被測慢變信號放大了的調制信號解調輸出信號全波整流輸出波形 鎖定放

16、大電路設計與應用 4.3 鎖定放大器的組成與部件 鎖定放大電路設計與應用 (1) 信號通道 信號通道信號通道對輸入的幅度調制正弦信號進行交流放對輸入的幅度調制正弦信號進行交流放大、濾波等處理大、濾波等處理.(1) 前置放大器前置放大器必須具備低噪聲必須具備低噪聲,高增益的特點高增益的特點,而且而且動態(tài)范圍要大動態(tài)范圍要大;(2) 需要設計和制作針對不同傳感器的需要設計和制作針對不同傳感器的前置放大器前置放大器;(3) 帶通濾波器帶通濾波器的設計；的設計；(4) 放大器的放大器的增益可調增益可調。 鎖定放大電路設計與應用 (2) 參考通道 參考通道參考通道的功能是為相敏檢測器提供與被測信號的功能

17、是為相敏檢測器提供與被測信號相干的控制信號相干的控制信號.(1) 參考通道輸入端一般都包括放大或衰減電路參考通道輸入端一般都包括放大或衰減電路,以以適應各種幅度的參考輸入適應各種幅度的參考輸入;(2) 參考通道的輸出可以是正弦波參考通道的輸出可以是正弦波,也可以是方波也可以是方波.為為了防止了防止r(t)的幅度漂移影響鎖定放大器的輸出精的幅度漂移影響鎖定放大器的輸出精度度,最好采用方波開關信號最好采用方波開關信號,用電子開關實現相敏用電子開關實現相敏檢測檢測;(3) 移相電路的設計移相電路的設計,用用模擬門積分比較器模擬門積分比較器或或鎖相環(huán)鎖相環(huán)來實現。來實現。 鎖定放大電路設計與應用 (3

18、) 低通濾波器 鎖定放大器改善信噪比的作用主要由低通濾波器鎖定放大器改善信噪比的作用主要由低通濾波器實現實現.(1) LPF的時間常數越大的時間常數越大,LIA的通頻帶寬度越窄的通頻帶寬度越窄,抑抑制噪聲的能力越強制噪聲的能力越強;(2) 直流放大器的輸入失調電壓要小直流放大器的輸入失調電壓要小,溫度漂移和時溫度漂移和時間漂移也要小間漂移也要小.LPF的拐點頻率做成可調的的拐點頻率做成可調的,以適以適應不同的被測信號頻率特性的需要應不同的被測信號頻率特性的需要;(3) LIA的各部分電路必須采取必要的屏蔽和接地措的各部分電路必須采取必要的屏蔽和接地措施施. 鎖定放大電路設計與應用 鎖定放大電路

19、設計與應用 鎖定放大電路設計與應用 鎖定放大電路設計與應用 鎖定放大電路設計與應用 4.3.1 正交矢量型鎖定放大器 鎖定放大電路設計與應用 4.3.2 外差式鎖定放大器 鎖定放大電路設計與應用 4.3.3 微機化數字式相敏檢測器 優(yōu)點優(yōu)點: (1)數字式濾波器的等效噪聲帶寬可以做到非常窄數字式濾波器的等效噪聲帶寬可以做到非常窄,為檢測更微弱的信號提供了可能為檢測更微弱的信號提供了可能; (2)為測量低頻信號提供了可能為測量低頻信號提供了可能; (3)具有很高的線性度具有很高的線性度; (4)具有很好的靈活性具有很好的靈活性. 鎖定放大電路設計與應用 4.3.3 微機化數字式相敏檢測器 鎖定放

20、大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調 (1)滿刻度輸出時的輸入電平滿刻度輸出時的輸入電平FS(2)過載電平過載電平OVL (3)最小可測信號最小可測信號MDS (4)輸入總動態(tài)范圍輸入總動態(tài)范圍(5)輸出動態(tài)范圍輸出動態(tài)范圍(6)動態(tài)儲備動態(tài)儲備 4.5.1 主要性能指標 鎖定放大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調 (1)滿刻度輸出時的輸入電平滿刻度輸出時的輸入電平FS 滿刻度輸出時的輸入電平滿刻度輸出時的輸入電平FS表征了鎖定放大表征了鎖定放大器的測量靈敏度器的測量靈敏度,它取決于系統(tǒng)的總增益它取決于系統(tǒng)的總增益.例如例如,如如果系統(tǒng)的總增益為果系統(tǒng)的總增益為108,滿刻度輸

21、出為滿刻度輸出為10V,則其則其FS輸入電平為輸入電平為0.1uV,FS為為允許信號峰值允許信號峰值. 4.5.1 主要性能指標 鎖定放大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調 (2) 過載電平過載電平OVL 定義為使定義為使LIA任何一級出現臨界過載的任何一級出現臨界過載的輸入輸入信號電平信號電平.當輸入信號或噪聲的幅值超過過載電當輸入信號或噪聲的幅值超過過載電平時平時,系統(tǒng)將引起非線性失真系統(tǒng)將引起非線性失真.過載電平為允許的過載電平為允許的輸入噪聲最大峰值輸入噪聲最大峰值. 4.5.1 主要性能指標 鎖定放大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調(3) 最小可測信號最小可測信號M

22、DS 定義定義為能辨別的最小輸入信號為能辨別的最小輸入信號,是測量值的下是測量值的下限限.MDS主要取決于系統(tǒng)漂移主要取決于系統(tǒng)漂移,輸出端的漂移量折輸出端的漂移量折合到輸入端即為合到輸入端即為MDS.4.5.1 主要性能指標 鎖定放大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調(4) 輸入總動態(tài)范圍輸入總動態(tài)范圍 4.5.1 主要性能指標MDSOVLlg20(5) 輸出動態(tài)范圍輸出動態(tài)范圍MDSFSlg20(6) 動態(tài)儲備動態(tài)儲備FSOVLlg20 鎖定放大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調輸入總動態(tài)范圍輸入總動態(tài)范圍=輸出動態(tài)范圍輸出動態(tài)范圍+動態(tài)儲備動態(tài)儲備 4.5.1 主要性能指

23、標 鎖定放大電路設計與應用 61V101VA 2.5mV2.5nVMDSA0.45mVOVL =20lg52dBFSMDS輸出動態(tài)范圍=20lg105dBOVLMDS輸入動態(tài)范圍=20lg53dBOVLFS動態(tài)儲備 鎖定放大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調 4.5.2 動態(tài)范圍與頻率的關系 鎖定放大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調4.5.3 動態(tài)協(xié)調 動態(tài)協(xié)調：動態(tài)協(xié)調：直流增益和交流增益如何分配的問題直流增益和交流增益如何分配的問題 鎖定放大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調(1)高穩(wěn)定工作狀態(tài)下高穩(wěn)定工作狀態(tài)下,被測信號的動態(tài)范圍被測信號的動態(tài)范圍較大較大,但是

24、噪聲很容易使但是噪聲很容易使PSD過載過載,適用于適用于輸入信噪比比較高的情況輸入信噪比比較高的情況.(2) 高儲備狀態(tài)下高儲備狀態(tài)下,LIA 中的中的PSD不易過載不易過載,鎖鎖定放大器具有良好的抵御噪聲能力定放大器具有良好的抵御噪聲能力,但是但是被測信號的動態(tài)范圍較小被測信號的動態(tài)范圍較小. 鎖定放大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調(a)、(b)的滿量程都是的滿量程都是10mV，不過由于增益的分配不同，所，不過由于增益的分配不同，所以輸入噪聲限幅電平在以輸入噪聲限幅電平在(a)中為中為20VP-P，在，在(b)中為中為2VP-P 。所。所以以(a)的的DR=66dB，(b)的的D

25、R=46dB。 鎖定放大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調例例1：鎖定放大器的動態(tài)范圍要多大才好？：鎖定放大器的動態(tài)范圍要多大才好？ （1）非常低的）非常低的MDS，大概在，大概在10-4FS數量級以下；數量級以下； （2）十分高的過載電平，加帶通放大器使動態(tài)儲）十分高的過載電平，加帶通放大器使動態(tài)儲備達到備達到105。 （3）十分寬廣的總動態(tài)范圍，達）十分寬廣的總動態(tài)范圍，達108以上。以上。 （4）在任何給定條件下，都可以控制動態(tài)協(xié)調，）在任何給定條件下，都可以控制動態(tài)協(xié)調，使測量最佳化。使測量最佳化。 鎖定放大電路設計與應用 例例2: 鎖定放大器的參考頻率為鎖定放大器的參考頻率為

26、1kHz，信號通道無濾，信號通道無濾波器時，波器時，OVL=100FS。設寬帶高斯分布干擾噪聲。設寬帶高斯分布干擾噪聲的帶寬為的帶寬為40kHz，均方根值為，均方根值為340FS（峰值近似為（峰值近似為3*340FS=1020FS）。在信號通道中加入。在信號通道中加入BPF，以，以使該噪聲不至于引起鎖定放大器過載，試求使該噪聲不至于引起鎖定放大器過載，試求BPF的的等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬Be.（Be=1.57*f/Q)4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調 鎖定放大電路設計與應用 4.5 性能指標與動態(tài)協(xié)調 鎖定放大電路設計與應用 4.6 鎖定放大器應用在鎖定放大器應用中需要考慮下列幾個問題在鎖定放大器應用中需要考慮下列幾個問題:(1) LIA的功能相當于一種抑制噪聲能力很強的交流電的功能相當于一種抑制噪聲能力很強的交流電壓表壓表,輸入是正弦波或方波交流信號輸入是正弦波或方波交流信號,輸出是輸入波輸出是輸入波形幅值的直流信號形幅值的直流信號.如果被測信號不是交流信號如果被測信號不是交流信號,則則需要用調制或斬波的方式將其變換成交流信號需要用調制或斬波的方式將其變換成交流信號.(2) LIA中