微弱信號檢測技術(shù)-LIA中的同步相干檢測-2011-05課件

鎖定放大器中的三種互相關(guān)接收技術(shù)2011-05-19相關(guān)器

同步積分器旋轉(zhuǎn)電容濾波器*三種同步相干檢測技術(shù)相關(guān)（相干）檢測工作原理所謂相關(guān)，是指兩個(gè)函數(shù)之間有一定的關(guān)系。如果對這兩個(gè)函數(shù)乘積,并長時(shí)間積分:①如果輸出為零，則表明這兩個(gè)函數(shù)不相關(guān)；②如果不為零，則表明兩者相關(guān)。I

原理電路對比1.相關(guān)器電路微分方程2.同步積分器電路微分方程原理圖等效電路電路微分方程3.旋轉(zhuǎn)電容濾波器(a)原理圖;(b)(c)等效電路;(d)開關(guān)信號（參考）4信號偏離參考的奇次諧波一微小量且積分時(shí)間足夠長：具有一定帶寬的梳狀濾波器頻響特性輸出，

輸出信號V0∝。響應(yīng)曲線5信號與參考同為同頻方波且積分時(shí)間足夠長：

其輸出與兩者的相位差成線性，可用作方波鑒相器。6等效噪聲帶寬和積分時(shí)間常數(shù)：同步積分器相關(guān)器旋轉(zhuǎn)電容濾波器基波處等效噪聲帶寬總等效噪聲帶寬積分時(shí)間常數(shù)（Tc；Ti；τ）7積分時(shí)間常數(shù)的選擇范圍：III實(shí)用電路對比相關(guān)器旋轉(zhuǎn)電容濾波器同步積分器幾種典型的鎖定放大器(LIA)

以相關(guān)器為核心的LIA（出現(xiàn)最早，應(yīng)用最廣）以同步積分器為核心的LIA同步積分器與相關(guān)器聯(lián)用的LIA外差式LIA(相關(guān)器方式，頻率變換實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率跟蹤)雙相LIA（采用兩個(gè)相互正交的相關(guān)器方式）旋轉(zhuǎn)電容濾波器與相關(guān)器組成的同步外差LIA鎖定放大器的動(dòng)態(tài)范圍及動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)過載電平滿刻度信號電平最小可檢測電平輸入動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)貯備輸出總動(dòng)態(tài)范圍一、三個(gè)臨界電平及動(dòng)態(tài)范圍的定義1、滿刻度信號輸入電平FS(Full-Scale)定義：提供系統(tǒng)最大輸出指示的滿刻度相干輸入信號電平；即：儀器放大倍數(shù)最大時(shí)，使輸出達(dá)到滿刻度的輸入電平。定義：輸出穩(wěn)定度乘以輸出滿刻度所需的相干信號峰值的輸入電平。百分?jǐn)?shù)測量：將LIA輸出端短路，用記錄儀記錄其漂移量，再除以信號通道增益，

折合到輸出端即為MDS。2、最小可檢測信號電平MDS(MinimumDiscernibleSignal)3、過載電平OVL(Overload)定義：使系統(tǒng)引起非線性失真的輸入信號電平。（包括電路和噪聲）即：過載時(shí)儀器工作在非線性狀態(tài)，通常定義使信號輸出產(chǎn)生5%誤差的噪聲電壓為本儀器的OVL。4、輸入總動(dòng)態(tài)范圍（評價(jià)LIA檢測能力的極限指標(biāo)）5、動(dòng)態(tài)貯備6、輸出動(dòng)態(tài)范圍對數(shù)表示是評價(jià)LIA從噪聲中提取信號能力的主要因素。對數(shù)表示意義：指LIA在維持滿刻度輸出條件下，

輸入端所能允許的最壞情況下SNR的直接量度！對數(shù)表示☆輸入總動(dòng)態(tài)范圍=動(dòng)態(tài)貯備+輸出動(dòng)態(tài)范圍實(shí)例：兩類鎖定放大器動(dòng)態(tài)范圍討論二、動(dòng)態(tài)范圍和頻率的關(guān)系以基波分量討論：第一類鎖定放大器第二類鎖定放大器三、白噪聲過載白噪聲干擾屬寬帶干擾，單位寬帶內(nèi)噪聲功率相等且與頻率無關(guān)。假設(shè)輸入電路的噪聲帶寬為40kHz，伴有白噪聲電壓均方根值為340FS,參考信號頻率為1kHz，試判斷白噪聲過載問題。（其中第一類LIA的OVL=100FS，第二類LIA的OVL=104FS)解析：直接采用第一類LIA遠(yuǎn)過載，因此不能用！瞬時(shí)噪聲幅度在±3σ之間：對于第二類：相關(guān)器前的有源濾波器是104FS，不過載。對相關(guān)器而言，OVL=100FS，要使白噪聲不過載，則：四、動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)☆輸入總動(dòng)態(tài)范圍=動(dòng)態(tài)貯備+輸出動(dòng)態(tài)范圍交流增益KAC直流增益KDC根據(jù)實(shí)際情況，合理選擇LIA的輸出動(dòng)態(tài)范圍反映干擾程度反映響應(yīng)程度鎖定放大器的應(yīng)用2011-05-26一、正確使用鎖定放大器的步驟輸入信號是占空比為1：1的交流信號；直流→交流（斬波器）輸入信號與各類傳感器（探測器）匹配（阻抗、頻率、靈敏度和響應(yīng)時(shí)間）選擇前放以滿足最佳噪聲匹配（傳感信號→前放→LIA）LIA的時(shí)間常數(shù)選擇（

Tc；Ti；τ

→ENBW

）合理的參考信號獲得（或頻率自動(dòng)跟蹤閉環(huán)式LIA）LIA具有F和2F的選擇開關(guān)，以測量信號基波和二次諧波注意動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)問題常規(guī)的屏蔽和良好的接地措施二、信號的斬波調(diào)制1定義：把直流信號變?yōu)榻涣餍盘?，并將信號進(jìn)行取樣變換和處理，使信號按比例保存原信號的所有頻譜。2光學(xué)斬波器——斬光器：使連續(xù)光變成占空比為1:1的交流信號。各種斬光調(diào)制盤孔徑及輸出波形實(shí)際斬波器的斬光盤與驅(qū)動(dòng)器

（單頻、雙頻）3斬光器的性能指標(biāo)：

頻率范圍：1Hz~數(shù)KHz；

頻率穩(wěn)定度：電源電壓波動(dòng)/斬光盤機(jī)械配置/電機(jī)和電路

溫漂時(shí)漂等引起。V~+-10%;Δf<0.05%；1h時(shí)漂<0.2%。

相位抖動(dòng)：參考與信號的相對相位抖動(dòng)，取決于機(jī)械加工精度

<0.50rms

參考信號輸出：具有1:1方波輸出的參考信號三、鎖定放大器的應(yīng)用實(shí)例1、光纖衰減特性測量振蕩及驅(qū)動(dòng)級光源斬波器單色儀探測器鎖定放大器光纖衰減特性曲線2、樣品透過率測量（源補(bǔ)償法、雙光束測量法和雙頻雙光束檢測法）伺服馬達(dá)源補(bǔ)償法雙探測器雙光束測量法雙頻雙光束檢測法分束鏡50:503、光聲光譜測量光源照射樣品聲波聲敏元件光聲信號記錄儀波長掃描控制光聲光譜入射光波長對聲強(qiáng)的關(guān)系圖譜反應(yīng)了樣品的吸收情況單光束光聲光譜儀透鏡斬波器光源單色儀光聲池前置放大器鎖相放大器參考信號記錄儀計(jì)算機(jī)檢出波長掃描控制器微音器難以克服光源強(qiáng)度隨波長及時(shí)間漂移而引起的誤差難以扣除光聲池和試樣以外的其他物質(zhì)所產(chǎn)生的背景信號解決方法：雙光束光聲光譜儀信號與光強(qiáng)成正比，用參考信號歸一避免光源波動(dòng)引起的誤差透鏡斬波器分束器光源單色儀光聲池前置放大器鎖相放大器參考信號記錄儀波長掃描控制器參考池前置放大器除法電路雙光束光聲光譜儀既校正了光源強(qiáng)度隨波長的變化及時(shí)間的漂移又扣除了光聲池及試樣基體的背景信號把光分成2束放置炭黑的參考池歸一光聲光譜的特點(diǎn)

常用于氣體中低濃度物質(zhì)的檢測

不受試樣形狀和形態(tài)的限制，無需前處理

試樣用量少，mg級

由于測無輻射部分，適用于高散射、輻射及不透明物質(zhì)

靈敏度高，液樣最低濃度0.05ng/ml

適用性廣，氣、液、固樣及化學(xué)反應(yīng)過程

激光光源和光聲池要求高，儀器價(jià)格昂貴檢測污染氣體的噪音極限靈敏度光聲光譜的應(yīng)用

固體試樣無需前處理適用于高散射、輻射(粉末)及不透明物質(zhì)K2Cr2O7粉末的光聲光譜圖，與K2Cr2O7水溶液譜十分相似表層分析可獲得表層厚度的信息干燥海藻的光聲光譜這是用幾mg干燥海藻