鎖相放大器實驗報告

廣東第二師范學(xué)院學(xué)生實驗報告院（系）名稱物理系班別11物理姓名專業(yè)名稱物理學(xué)（師范）本四B學(xué)號115506020實驗課程名稱近代物理實驗實驗項目名稱鎖相放大器實驗實驗時間2014年12月25實驗地址物理樓五樓實驗室實驗成績?nèi)罩笇?dǎo)老師署名內(nèi)容包括：實驗?zāi)康?、實驗使用儀器與資料、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)整理與概括（數(shù)據(jù)、圖表、計算等）、實驗結(jié)果與剖析、實驗心得實驗?zāi)康模烘i相放大器能夠理解為用噪聲頻帶壓縮的方法，將輕微信號從噪聲中提拿出來。本實驗經(jīng)過丈量鎖相放大器的工作參數(shù)和特征，掌握相關(guān)檢測原理以及鎖相放大器的正確使用方法。實驗使用儀器與資料：ND-501型輕微信號檢測實驗綜合裝置、相敏檢波器、示波器、接線及接線口若干。實驗步驟：(一)、實驗儀器圖5是ND-501型輕微信號檢測實驗綜合裝置的面板圖，該裝置把輕微信號檢測技術(shù)的基本實驗零件裝在一個插件盒內(nèi)，由一個能同時插四個插件盒的帶電源的機箱，經(jīng)過插入不一樣的實驗零件盒構(gòu)成不一樣種類的輕微信號檢測儀器。有關(guān)器溝通直流多點信號同步電噪聲電壓表均勻器積分器源1．25頻次計多功能寬帶移相器相位計電1025信號源125源有源電低噪聲選頻低通、高通追蹤源前置放大器放大器濾波器濾波器圖5ND-501型輕微信號檢測實驗綜合裝置(二)、鎖相放大器的特征和工作參數(shù)測定本實驗使用ND-501型輕微信號檢測實驗綜合裝置察看鎖相放大器的特征并丈量其工作參數(shù)。1、參照信號通道特征研究調(diào)理多功能信號源的輸出信號為正弦波，用頻次計丈量其頻次，用溝通直流噪聲電壓表丈量信號的幅度，調(diào)理輸出信號的頻次為1kHz左右，幅度大小為100mV左右。而后按圖6所示接線，按下寬帶移相器0移相按鈕，調(diào)理0~100相位調(diào)理按鈕，用示波器察看寬帶移相器的輸入和輸出信號的波形的變化，最后使相位差計顯示參照信號和輸入信號的相位差分別為0、90、180、270對照畫出寬帶移相器的輸入和輸出信號的波形。改變信號的幅值和頻次，察看同相輸出信號幅值和頻次的變化，并做簡要剖析。調(diào)理信號源，使輸出波形分別為三角波和方波，重復(fù)上述觀察。1多功能寬帶移相器相位計示波器信號源信號輸入CH1CH2同相輸出輸入輸出參照輸入圖6參照通道特征觀察2、相敏檢波器的特征研究及主要參數(shù)丈量(1)相敏檢波器PSD輸出波形和電壓丈量按圖7接線，置溝通放大倍數(shù)為1，直流放大倍數(shù)為10，有關(guān)器低通濾波時間常數(shù)置1秒，調(diào)理寬帶移相器的相移量，用示波器察看信號、參照信號及PSD的輸出波形并剖析它們之間的關(guān)系，丈量有關(guān)器輸出直流電壓大小與信號、參照信號之間幅值及相位差的關(guān)系，用相位計丈量值大小，記錄參照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udc在示波器上輸出的波形。與圖1比較，剖析有關(guān)器的原理。多功能有關(guān)器PSD溝通、直流信號源信號輸入輸出噪聲電壓表輸出參照輸入直流輸出輸入寬帶移相器相位計示波器同相輸入輸出圖7有關(guān)器

信號輸入CH1參照輸入PSD波形觀察(2)有關(guān)器的諧波響應(yīng)的丈量與察看將圖7中寬帶移相器的輸入信號接至多功能信號源的“倍頻分頻輸出”，多功能信號源功能“選擇”置“分頻”，此時，參照信號的頻次為信號頻次的1/n次倍。先置分頻數(shù)為1，調(diào)理移相器的相移，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)行上述丈量，依據(jù)丈量結(jié)果畫出有關(guān)器對諧波的響應(yīng)圖。(3)有關(guān)器對不有關(guān)信號的克制按圖8所示接線，多功能信號源的輸出正弦信號為有關(guān)器的輸入信號，低頻信號源的輸出信號作為有關(guān)器的擾亂信號，由有關(guān)器的“噪聲輸入”端輸入。由示波器察看有關(guān)器的“加法器輸出”波形與“PSD輸出”波形，用電壓表丈量輸入信號，擾亂信號，有關(guān)器輸出信號大小，由頻次計丈量信號和擾亂信號的頻次。選擇有關(guān)器的溝通放大倍數(shù)為1，直流放大倍數(shù)為10，時間常數(shù)1秒，調(diào)理多功能信號源的頻次為200Hz(能夠任選)，電壓為100mV，調(diào)理低頻信號源的輸出電壓為0(即有關(guān)器輸入信號不混有擾亂信號)，調(diào)理寬帶相移器的相移量，使有關(guān)器輸出的直流電壓最大。記錄“加法器輸出”，“PSD輸出”波形及有關(guān)器輸出的直流電壓(正比于輸入信號的有效值)。調(diào)理低頻信號源的輸出電壓為300mV，即擾亂電壓為待測量信號電壓的3倍。任選一工作頻次(比如為930Hz)。由示波器察看“加法器輸出”“PSD輸出波形”，觀察此時被測信號與擾亂信號波形及有關(guān)器的輸出直流電壓變化。改變擾亂信號的頻次，察看有關(guān)器對不有關(guān)信號的克制能力，對實驗現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，剖析有關(guān)器克制擾亂的能力。2多功能有關(guān)器加法示波器信號輸入信號源器輸CH1噪聲輸入PSD輸出正弦輸出參照輸入直流輸出CH2低頻直流寬帶移相器信號源頻次計溝通、直流同相噪聲電壓表正弦輸出輸入輸出輸入輸入信號擾亂圖8有關(guān)器對不有關(guān)信號的克制(4)有關(guān)器對噪聲的克制及等效噪聲帶寬白噪聲電壓與帶寬有關(guān)，經(jīng)過高、低通濾波器能夠構(gòu)成一個已知帶寬的帶通濾波器來確立噪聲帶寬。關(guān)于二階有源濾波器信號帶寬fs與等效噪聲帶寬fN關(guān)系為：fN=(/2)fs測試方框圖如圖9所示。白噪聲信號源經(jīng)過高低通濾波器構(gòu)成的帶通濾波器的限制，使高通、低通濾波器的輸出為已知等效噪聲帶寬的噪聲源，輸給有關(guān)器的噪聲，白噪聲電壓的大小由溝通、直流、噪聲電壓表丈量，在丈量白噪聲電壓時，給出的是白噪聲的均方根電壓，注意，只好用2V量程檔丈量噪聲電壓。高通，低通濾波器的高通截止頻次選在250HZ，低通濾波器的的截止頻次選在25kHz，則等效噪聲帶寬fN=(/2)fs=(/2)(25000-250)Hz=39kHz。多功能有關(guān)器加法器示波器信號輸入信號源輸出CH1噪聲輸入PSD輸出正弦輸出噪聲輸出參照輸入直流輸出CH2直高、低通寬帶移相器頻次計流溝通、直流濾波器噪聲電壓表同相輸入輸入交輸入輸入輸出輸出流白噪聲圖9有關(guān)器對噪聲的克制有關(guān)器選KAC＝10，KDC＝10，T＝1秒。輸入信號頻次fs＝1kHz，Vsi＝50mV，先不加白噪聲擾亂信號。調(diào)理相移器的相移，使輸入信號與參照信號同相，并用示波器察看“加法器輸出”“PSD輸出”的波形，用電壓表丈量輸出電壓。白噪聲信號由有關(guān)器“噪聲輸入”輸入，作為擾亂信號，用示波器察看“加法器輸出”的信號與噪聲相混的波形。調(diào)理白噪聲信號源的輸出幅度或與高、低通濾波器的放大倍數(shù)相當(dāng)合調(diào)理，使輸入白噪聲均方根電壓為100mV。用示波器察看“加法器輸出”信號與噪聲相混的波形和“PSD輸出”波形。用電壓表丈量有關(guān)器輸出的信號電壓和噪聲電壓，計算輸出信號的信噪比，依據(jù)輸入輸出信噪比計算SNIR，與公式(12)計算的理論值比較。改變時間常數(shù)T=0.1s和T=10s，從示波器上察看直流輸出信號的波形，比較不一樣時間常數(shù)下的信號波形，同時能夠利用2V量程檔丈量不同時間常數(shù)下的直流輸出信號中的噪聲電壓，認(rèn)識有關(guān)器對噪聲的克制能力。實驗數(shù)據(jù)整理與概括：1、參照信號通道特征研究利用多功能信號源輸出正弦波，其頻次為1000hz，電壓大小為100.3mV，調(diào)理相移器的0、90、180、270移相按鈕，示波器ch1通道是輸入的正弦波形，ch2通道輸出的是經(jīng)過移相器后的信號波形，記錄以下：表1移相器挪動0、90、180、270時的輸入輸出信號（正弦波）3圖像相90°0°位圖像相270°180°位（1）調(diào)理0°~100°相位調(diào)理旋鈕，增大移相的角度時，波形沒有變化，方波略向左移。當(dāng)增大輸入信號的幅值時，ch1通道的輸入信號圖像會跟著電壓的增大振幅增大，而ch2通道的輸出信號的幅度不變。當(dāng)增大輸入信號的頻次時，ch1通道的輸入信號圖像和ch2通道的輸出信號圖像同時增大頻次，而振幅不變。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原由是：往常經(jīng)過移相器產(chǎn)生的信號是與原信號同頻次的占空比為1:1的方波信號，方波的幅度為1，不會跟著輸入信號的幅度而發(fā)生改變，可是移相器挪動角度，會使所得方波發(fā)生挪動。（2）當(dāng)輸入信號為三角波時，輸出信號為表2表2移相器挪動0、90、180、270時的輸入輸出信號（三角波）圖像相位0°90°圖像相位180°270°（3）當(dāng)輸入信號為方波時，輸出信號為表2表3移相器挪動0、90、180、270時的輸入輸出信號（方波）4圖像相位0°90°圖像相位180°270°2、相敏檢波器的特征研究及主要參數(shù)丈量（1）相敏檢波器PSD輸出波形和電壓丈量（a）選擇溝通放大倍數(shù)1,直流放大倍數(shù)10，有關(guān)器低通濾波時間設(shè)置1s，輸出信號為正弦波時不一樣相位的波形如表4表4相位差為0、90、180、270時的PSD輸出波形（此中0與180的PSD信號相反，90和270的PSD信號相反）圖像相位0°90°差圖像相位180°270°差（2）丈量有關(guān)器輸出直流電壓大小與信號、參照信號之間幅值及相位差ψ的關(guān)系表5在不改變輸入信號的幅值狀況下記錄直流電壓udc和相位差ψ的大小5ψ/°2265891120151179udc1.5741.6011.2210.441-0.233-1.187-1.578ψ/°198211235270300306330udc-1.636-1.588-1.313-0.5080.2160.5391.123圖10直流電壓udc和ψ的曲線關(guān)系表6直流電壓udc和cos()的關(guān)系，ψ為相位差的大小(弧度制)cos( )0.8990.530-0.017-0.500-0.875-1.000udc1.6011.2210.441-0.233-1.187-1.578圖11直流電壓udc和cos()的關(guān)系圖由表5、表6、圖10、圖11能夠看出，在不改變輸入信號的幅值狀況下直流電壓udc和相位差ψ成余弦關(guān)系，而在ψ=0時直流電壓udc和輸入電壓u成正比率關(guān)系，可見udc=Cucos（ψ）建立，此中C為比率系數(shù)。有關(guān)器就是實現(xiàn)參照信號和被測信號有關(guān)函數(shù)的電子線路，由乘法器和積分器構(gòu)成。一種開關(guān)式乘法器即相敏檢波器（PSD），積分器即為RC低通濾波器。加在PSD上的被測信號和方波信號經(jīng)過乘法，輸出信號再經(jīng)過低通濾波器后，溝通部分會被濾去，只有直流部分會被輸出，且udc=Cucos（ψ）。（3）有關(guān)器的諧波響應(yīng)的丈量與察看表7分頻時數(shù)出直流電壓值與分頻時有關(guān)器對諧波的響應(yīng)圖n12值直流電1.254V-6.7mV壓值6圖像n34值直流電0.379V-6.8mV壓值圖像n56值直流電0.332V-6.8mV壓值圖像n78值直流電0.235V-6.7mV壓值圖示波器上的圖像飄移示波器上的圖像飄移像從上表可見，當(dāng)分頻時，參照信號的頻次為信號頻次的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，輸出電壓會有直流部分，而且跟著n的增大，直流部分減小。這表示被測信號中的奇次諧波成分在輸出信號中仍據(jù)有必定比率，或許說有關(guān)器對奇次諧波的克制能力有必定限度，而且跟著奇數(shù)的增大，克制能力愈來愈強。4）有關(guān)器對不有關(guān)信號的克制信號輸入：頻次200.89Hz，電壓102.0mv低頻信號源：頻次49.57Hz，電壓17.9mv（靠近0）有關(guān)器輸出的最大直流電壓為1.017V表8加法器以及PSD輸出波形CH1CH2加法器輸出波形PSD輸出波形7在沒有擾亂信號時，相移器0，直流輸出電壓0.98v在有擾亂信號時，擾亂信號電壓為0.30v，改變擾亂信號的頻次，察看輸出信號的電壓變化：（a）在擾亂信號頻次近于100Hz時，輸出信號直流電壓在0.906v左右，輸出波形較為穩(wěn)固（b）擾亂信號頻次靠近200Hz時，輸出波形較不穩(wěn)固（c）擾亂信號頻次靠近300Hz時，輸出信號直流電壓在1.016v左右，輸出波形較為穩(wěn)固d）擾亂信頻次再增添，直流電壓輸出不變，每當(dāng)頻次為輸入信號頻次奇數(shù)倍時，信號較為安穩(wěn)。由以上實驗現(xiàn)象可見，有關(guān)器對沒有倍數(shù)關(guān)系以及有倍數(shù)關(guān)系而且倍數(shù)為偶數(shù)的不有關(guān)信號的克制作用仍是很顯然的，直流電壓輸出近于沒有擾亂信號時的直流電壓輸出?？墒怯嘘P(guān)器關(guān)于有奇數(shù)倍數(shù)關(guān)系的不有關(guān)信號的克制能力有必定限度，可是跟著奇數(shù)倍的增大克制能力會增大，當(dāng)倍數(shù)為7、9時，有關(guān)器幾乎完整克制此不有關(guān)信號。（5）有關(guān)器對噪聲的克制及等效噪聲帶寬輸入信號電壓Vsi=49.7mv，輸入信號頻次fs=1002.97hz加法器以及PSD輸出波形見附的原始實驗數(shù)據(jù)（沒有攝影）表9改變時間常數(shù)后噪聲電壓的改變狀況時間常數(shù)T/s10.110信號電壓/mV48.948.948.9直流電壓/V7.937.937.93噪聲電壓/mV84.895.597.6由上表能夠看出，當(dāng)時間常數(shù)增大時，噪聲電壓會減小，說明有關(guān)器在時間常數(shù)增大時對噪聲的克制會增強。fni，當(dāng)T=1s時，輸出信號的信噪比為3，輸入信號的信噪比為0.675，那么有信噪比改良ISNR=2.33,而因為ISNR=fni=39khz，fno=7khz，那么理論值為fno2.36，偏差1.3%。經(jīng)過以上的實驗可知，關(guān)于噪聲，在經(jīng)過低通濾波器以及高通濾波器時，設(shè)置低通濾波器的截止頻次稍高于定頻，高通濾波器的截止頻次選在稍低于定頻時，鎖相放大器就能夠最大限度的克制噪聲。經(jīng)過以上的實驗可知，關(guān)于噪聲在經(jīng)過低通濾波器以及高通濾波器時，設(shè)置低通濾波器的截止頻次稍高于定頻，高通濾波器的截止頻次選在稍低于定頻時，鎖相放大器就能夠最大限度的克制噪聲。實驗結(jié)果與剖析：