鎖相放大實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、（實(shí)驗(yàn)報(bào)告）鎖相放大【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要測量許多物理量的微小變化。其中鎖相放大器是目前最常見的儀器，適用于對淹沒在噪聲背景中的正弦波或方波信號的檢測。通過對本實(shí)驗(yàn)的演練以及相關(guān)知識的了解，了解相關(guān)檢測原理、鎖相放大器(LOOK-IN)的基本組成，掌握鎖相放大器的正確使用方法及在檢波上的應(yīng)用。【關(guān)鍵詞】弱信號檢測、相關(guān)器、鎖相放大、互相關(guān)函數(shù)、抗干擾【引言】隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，在很多時候我們需要測量許多物理量的微小變化。特別是極端條件下的微弱信號的測量，是深化認(rèn)識自然、開拓新材料、創(chuàng)造新器件的基礎(chǔ)。對上述微小變化的測量，通常我們可以用傳感器將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，然后對這些電信

2、號進(jìn)行發(fā)達(dá)，然后進(jìn)行檢測。但是這些微小的變化通過傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號十分微弱，而且各種條件下的噪聲和干擾很可能將這些微弱信號淹沒，因此單純的使用放大器將其放大，并不能將這些信號正確地檢測出來，因?yàn)橐话惴糯笃鲿⑿盘柵c噪聲一起放大，被測信號因被噪聲覆蓋而使放大失去了意義。因此去掉上述信號中的噪聲與干擾成為了解決弱信號測量問題的關(guān)鍵。一般，去除噪聲和干擾有同步積累、相關(guān)接受等方法。【正文】鎖相放大器的基本原理是相關(guān)接收原理，由互相關(guān)函數(shù)知道，若x(t)，y(t)互相沒有關(guān)系，互相關(guān)函數(shù)將是一個常數(shù)，等于兩個隨機(jī)函數(shù)的平均值的積，由于電噪聲函數(shù)一般符合高斯正態(tài)分布，其平均值為零，因此我們認(rèn)為信號和噪

3、聲的互相關(guān)函數(shù)為零。令其中和分別代表了待測信號及參考信號混在一起的噪聲，則其中，分別是兩信號之間，信號與噪聲，噪聲與噪聲之間的相關(guān)函數(shù)，由于信號與噪聲不相關(guān)，所以，為零。則上式表明對兩個混有噪聲的功率有限信號進(jìn)行相乘和積分處理后，可將信號從噪聲中檢出，噪聲被抑制，不影響輸出，根據(jù)此原理，設(shè)計(jì)出了相關(guān)檢測器。圖1 相關(guān)檢測器通常相關(guān)檢測器由乘法器和積分器構(gòu)成，乘法器有兩種：一種是模擬式，另一種是開關(guān)式。常采用方波作參考信號，而積分器通常由RC低通濾波器構(gòu)成，若待測信號為正弦波， 即由原來以為中心頻率的頻譜變換成以及2為中心的頻譜，通過低通濾波器后，和頻信號被濾去。 若兩信號頻率相同，則，上式變?yōu)?/p>

4、 （K為低通濾波器的傳輸系數(shù)有關(guān)的常數(shù)）上式表明：若兩個相關(guān)信號為同頻正弦波時，經(jīng)相關(guān)檢測后，其相關(guān)函數(shù)與兩信號幅度的乘積成正比，同它們之間的相差余弦成反比。對于是方波的情況，相應(yīng)采用開關(guān)式乘法器，稱為相敏檢波器（PSD）。 當(dāng)時，。這表明，輸出僅與待測信號的幅度成正比，與良心好的相差成正比。 以上我們假設(shè)噪聲與信號不相關(guān)，通過相關(guān)檢測器后噪聲被抑制，但由于低通濾波器的積分時間不可能無限大，實(shí)際上仍有噪聲輸出，它與時間常數(shù)有關(guān)，通過加大時間常數(shù)可以改善信噪比。鎖相放大器實(shí)際上是一個模擬的傅立葉變換器。鎖相放大器的輸出是一個直流電壓，正比于是輸入信號中某一特定頻率（參數(shù)輸入頻率）的信號幅值，而輸

5、入信號中的其他頻率成分將不能對輸出電壓構(gòu)成任何貢獻(xiàn)。這樣我們可以利用參考信號把有用信號從待測信號中分離出來。鎖相放大器主要有三大部分組成：信號通道、參考通道、相關(guān)器。如下圖所示：信號輸入?yún)⒖驾斎隓C輸出濾波器觸發(fā)器方波DC相移器ACAC乘法器低通LPF表信號通道參考通道相敏檢波器鎖相放大器基本結(jié)構(gòu)示意圖信號通道包括低噪聲前置放大器、有源濾波器、主放大器，它的作用是把微弱信號放大到足以推動乘法器的工作電平，并兼顧抑制噪聲的功能。參考通道是指從參考信號輸入到乘法器輸入之前的部分，它的作用是產(chǎn)生于被測信號同步的參考信號，通常參考通道輸出的是與被測信號同步的對稱方波，用以驅(qū)動乘法器工作。鎖相放大器的頻

6、率變換是通過乘法運(yùn)算來進(jìn)行的。一般的乘法運(yùn)算模擬電路，其線性程度和溫度穩(wěn)定性都存在問題。所以在實(shí)際的鎖相放大器中，采用開關(guān)元件進(jìn)行同步檢波，由此實(shí)現(xiàn)頻率變換。由開關(guān)元件所進(jìn)行的同步檢波電路，稱作PSD（相敏檢波器，Phase Sensitive Detector），這是組成鎖相放大器的心臟部分。實(shí)際電路存在各種噪聲會影響實(shí)驗(yàn)的精確度。鎖相放大器對于噪聲的抑制能力，是由上圖中低通濾波器（LPF）的截止頻率來確定的。實(shí)驗(yàn)步驟：（一）相關(guān)器的PSD波形觀察及輸出電壓測量1.按下圖連接好實(shí)驗(yàn)線路。2. 接通電源后預(yù)熱二分鐘，調(diào)節(jié)旋鈕，使多功能信號源輸出頻率為1kHz左右的正弦波。3.調(diào)節(jié)相關(guān)器直流放大

7、倍數(shù)10，交流放大倍數(shù)1。用示波器觀察PSD的輸出波形，并用交流、直流噪聲電壓表測量相關(guān)器的輸出直流電壓，相關(guān)器低通濾波器的時間常數(shù)置于1秒。調(diào)節(jié)寬帶相移旋鈕觀察不同相位下PSD的輸出波形并記錄數(shù)據(jù)。4.把實(shí)測結(jié)果與理論公式相對比。其中Vo相關(guān)器輸出的直流電壓；KAC交流放大倍數(shù)；KDC直流放大倍數(shù)；輸入信號的幅值；為參考信號與輸入信號之間的相位差。角度(度)電壓（伏特）0-1.02630-0.91260-0.56990-0.00641200.471500.832400.513360-1.027圖一圖二圖三圖四（二）相敏檢波特性的測量與觀察將待測信號改為方波，重復(fù)上述步驟。圖五圖六（三）相關(guān)器

8、諧波響應(yīng)的測量與觀察實(shí)驗(yàn)儀器同實(shí)驗(yàn)（1）相同，連接電路作一處變動，斷開多功能信號源由正弦波輸出插座輸出到寬帶相移器輸入端的信號，多功能信號源1/n輸出插座連接到寬帶相移器，此時，可以改變待測信號和參考信號的頻率之比，使n，3（四）相關(guān)器對不相干信號的抑制按上圖連好線路。多功能信號源的輸出正弦信號為相關(guān)器的輸入信號，由相關(guān)器的“信號輸入”，多功能信號源的輸出信號作為相關(guān)器的干擾信號。由相關(guān)器的“噪聲輸入”端輸入。同時由信號源輸給寬帶相移器，相移器輸出作為相關(guān)器的參考信號，由相關(guān)器的“參考信號”端輸入。由示波器觀察相關(guān)器的“加法器輸出”波形與“PSD輸出”波形。用交流、直流、噪聲電壓表測量輸入信號

9、，干擾信號的交流電壓，測量相關(guān)器輸出的直流電壓，由頻率計(jì)測量信號和干擾電壓的頻率。選擇相關(guān)器的直流放大倍數(shù)為10，交流放大倍數(shù)為1，時間常數(shù)1秒，調(diào)節(jié)多功能信號源的頻率和電壓，調(diào)節(jié)多功能信號源的輸出電壓為0（即相關(guān)器輸入信號不混有干擾信號），調(diào)節(jié)寬帶相儀器的相移量，使相關(guān)器的參考信號與輸入信號相同，即輸出的直流電壓最大，可以用示波器觀察PSD輸出的波形，同時也有電壓表指示、兩者一致。記下“加法器輸出”，“PSD輸出”波形及相關(guān)器輸出的直流電壓（正比于輸入信號的有效值）。調(diào)節(jié)多功能信號源的輸出電壓，即干擾電壓為待測量信號的3倍。任選一工作頻率。由示波器觀察“加法器輸出”“PSD輸出波形”，很顯然

10、被側(cè)信號已經(jīng)被干擾信號淹沒。同時測量相關(guān)器的輸出直流電壓?？梢园l(fā)現(xiàn)輸出直流電壓與沒有干擾信號時幾乎一樣。表明相關(guān)器具有很強(qiáng)的抑制干擾能力。改變干擾信號的頻率，將發(fā)現(xiàn)干擾信號頻率逐漸接近輸入信號的奇次諧波時，抑制干擾能力下降，（輸出直流電壓發(fā)生周期性的變化），等于奇次諧波時，不具有抑制干擾能力（即同頻干擾）。在信號各奇次諧波處形成帶通特性，通帶寬度由低通濾波器的時間常數(shù)決定。改變積分時間常數(shù)為0.1秒或10秒。將發(fā)現(xiàn)抑制干擾的能力不一樣，即通帶帶寬不同。根據(jù)上述不同參數(shù)測出各組數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)與分析。輸入信號為100mv，頻率為200Hz，干擾信號電壓為2V在下列時間常數(shù)下所得PSD輸出電壓單位V干擾頻率10s1s0.1s200Hz-1.067 -0.773-2.27 0-4.15 3400Hz0.47-0.65-0.98600Hz-0.15 -0.12-1.184 0.786-2.40實(shí)驗(yàn)總結(jié)：1. 實(shí)驗(yàn)中，接線非常重要，為了得到最清晰的波形，接線應(yīng)該盡量簡潔，