16、鎖相技術

1、實用標準文案精彩文檔鎖相技術一、引言鎖相，就是實現(xiàn)兩個電信號相位同步的自動控制。鎖定放人器(LIA LOck in AmDImer)是鎖相技術在微弱信號檢測中的應用，本實驗將研究鎖定放大器的原理和應用。實驗的目的要求是：I 了解鎖定放大器的工作原理，著重掌握相關器的原理。2學會使用鎖定放大器，并用它測量p. n結勢壘電容。二、原理(一) 鎖定放大器的基本原理本實驗采用NL 1鎖定放大器，其原理框圖見圖12. k鎖定放大器是一種交流電壓表， 它能精確地測定深埋在噪聲之中的周期重復信號的幅值及相位，這種抑制噪聲的作用主要是通過相關器實現(xiàn)的，使用時，除要輸入待測信號外，還要輸入?yún)⒖夹盘?。圖12 1

2、NL 一 1鎖定放大器原理框圖1、相關器鎖定放大器中的相關器如圖 122所示。它由相乘電路和低通濾波器組成，相乘電路有許多形式，如開關型、電流控制型等等，NL 1鎖定放大器采用開關型。低通濾波器具有壓縮噪聲帶寬，讓直流信號通過的作用，它抑制噪聲的能力可以用“等效噪聲帶寬圖122相關器這一參數(shù)來描述，可以求出，圖122中的低通濾波器的等效噪聲帶寬Vf n=14RC14T低通濾波器的時間常數(shù) T=Rc, T越長則Vf n越小，但實際上由于漂移等問題，T是不能太長的。下面是相關器的工作原理。相關器采用的是所謂相關接收技術。設輸入信號為Vi t ,參考信號為Vr t ,由于低通濾波器實際上是一個積分器

3、，因此相關器的輸出V0是Vi t和Vr t乘積，再對時間積分，并取平均值有1 TV 0= limVi (t)g/r t dt (12-1)t 2T T式中t是參考信號相對于輸入信號的延遲時間，積分時間上限T即低通濾波器的時間常數(shù)，通常把式(12 . 1)所表示的V。稱為Vi t和Vr t的相關函數(shù)，實現(xiàn)求相關函數(shù)的電子線路 稱為相關器或相關接收器。下面的討論會更清楚相關器的作用。設入輸入信號與參考信號都是頻率為0的正弦波，且輸入信號有噪聲，即(12-2 )Vs Ei sin( ot) EnSin( t )VrEr sin 0t式中 為隨機的噪聲頻率， 分別為信號和隨機的噪聲與參考信號的相位差，

4、Ei , En和Er為它們的振幅，通過乘法器的輸出電壓1 1 1V Vs?Vr - Ei Er cos- Ei Er cos(2 t)En Er cos( )t(12通過低通濾波器后，上式等號右邊第：、四項被濾去，1 1V= EiErCOS + EnER cos( V1-EnERCos(o)t 式中V0上式第一項為直流輸出，第二項中的3)相關器的輸出電壓為)(12-4)V如果大于低通濾波器的帶寬,則被濾去，如果小于低通濾波器的帶寬，則輸出V0仍有少量噪聲。實際上考慮到線性和動態(tài)范圍，鎖定放大器的相乘電路采用開關電路，因此參考信 號是F式所示的的單位方波：Vr(sin sin3 3sin5 o5

5、L L)(12-5)其中o為方波的頻率。如果輸入信號仍是頻率為0的正弦波：ViEi sin( o )其中年為輸入信號與參考信號之間的相位差，按照參考信號為正弦波的方法進行討論可以求得 (12-2)所示的相關器的輸出電壓為Vo2REi-cos(12-6)R這是鎖定放大器的基本公式，Vo為直流電亞，正比于輸入信號的振幅Ei，并和的余弦成R正比。為低通濾波器的直流放大倍數(shù)，負號表示從反向端輸入。改變輸入信號和參考R信號之間的相位差，可以求得輸入信號的幅值和相位，從式中可以看出，當0或180，Vo正比于Ei，且為最大值；當=90或270，V為零。圖12-3畫出了輸入信號與參考信號處于不同相位的乘法器輸

6、出V （Vig/R ）的波形以及低通濾波器的輸出V。的電平（為直觀起見，圖中畫的 V。與V分量同號），從上述可知，乘法器具有相位檢波作用，因此常被稱為相敏檢波器、一 t,41 t百A 0二0Ji A r心二頃二雖大（反相）圖12-3 相敏檢波器的相位檢波特性如果輸入信號有噪聲，與式（12-2）所示的參考信號為正弦波類似，在參考信號為方波的情 況下，噪聲與參考信號的差額所組成的各種中頻，只有落在低通濾波器的等效噪聲帶寬之內的一小部分分量才對相關器的輸出有影響，這樣，信號可以從相關器通過，噪聲的絕大部分被濾波，埋在噪聲中的信號就被檢測出來。由于參考信號為方波時還沒有諧波響應，因此相關器也可以檢測方

7、波，而且總等效噪聲帶寬應用下子計算2Vfno1 1這里不再詳細討論，式中 Vf n=是低通濾波器的等效噪聲帶寬。4RC 4T對于給定白噪聲，噪聲典雅正比于等效噪聲帶寬的平方根。因此，鎖定放大器獲得的信噪比改善，是輸入信號的噪聲帶寬與相關器的等效噪聲帶寬之比的平方根，即輸出信噪比. V f n輸入輸入信噪比,Vfn輸出V02同步積分器與相關器的聯(lián)合使用同步積分器的原理線路如圖12-4所示其中S是電子開關，由參考信號（方波）激勵，使兩個相同的電容 C交替與R連接。同步積分器的工作 原理與相關器相似，不再討論，但相關器輸出是直流，它輸出是方波，當輸入信號與參考信號同步時，方波幅度最大。同步積分器與相

8、關器聯(lián)合使用見圖12 1,圖中各點波形及輸出V。的電平見圖12 5。同步積分器抑制噪聲力強，但輸出是方波，所以作為相關器的前級是很合適的，這樣鎖定放大器抑制噪聲能力更強，動態(tài)范圍更大。輸入館號通道的輸岀渡戒 皿） 參考通道的輸出渡瑕（氐F點） 同齒積師耀的輸出液型5點）棉乘電路的輸出波球（C點）低通穗渡幕的輸出渡解（D點圖12-5同步積分器和相關器聯(lián)冷值坤時各點的波球（二）P-N結勢壘電容的測量原理V(t)在半導體器件原理與設計中知道，P-N結中存在勢壘電容，電容的大小與加在P-N結接鎖定放大器輸入端Co圖12-6 P-N 結勢壘電容的測量原理(C-V 測上的偏壓有關，這里用鎖定放大器來測定二

9、極管p-N結反向直流偏置時的勢壘電容量），測量原理見圖12-6.圖中CxViV( t )? 1J? j Coj Coj CxcxxV(t)CoCoCx 00 3600 是待測的二極管 D的電容，Co是己知電容，V（T）是交變電壓。當 CoCX時，在Co兩端的電壓V( t)1cx-?;V(t)11 j Co Coj co j Cx由于Cx隨著偏壓變化,V（t）不能加得太大，而且公式成立的條件是CoCx，因此，Vi很微弱，可以用鎖定放大器來測量。二、鎖定放大器的使用方法為了解鎖定放大器的使用方法，給出NL-1鎖定放大器的方框圖和面板控制旋鈕示意圖， 如圖12-7、128所示，它主要由輸入信號通道、

10、 參考通道以及同步積分器和相關器等部分 組成，結構上分為五個組件。（一）輸入信號通道輸入信號通道包括前置放大器、高低通濾波器和交流放大器等，其作用是放大信號，使信號足夠大，適合于下一部分的同步積分器正常工作。組件I就是前置放大器，有兩個信號輸入端：A（6）和B（5），待測信號源為單端輸出時，從A端輸入，開關（9）置“ A” ;待測信號源為雙端輸出時，從 A、B兩端輸入，開關（9）置“ A B”。前置放大器的輸出信號從輸出端 輸出。仙it輸期EKJEt和它 rWi.U. JJLDKHrri 悲信涇F!MMJLcr TIT卩；1M) *nn.垃！;四 .7T址富二! J(時制1曽文曲目2；MT |

11、liitra f圖12-7 NL-1鎖定放大器的方框圖組件II也有信號輸入端(10)。它接前置放大器的輸出端 (7)，當信號較大時，可以不 使用前置放大器而直接從(10)端輸入，當信號大于 10mV只能從(10)端輸入。高低通濾波 器可以減少信號中的噪聲，提高后級的動態(tài)范圍，它由開關(12)和(15)控制，一般測量時應使截止頻率向被測頻率靠近，低通的“最高檔是62. 5kHz。靈敏度表示表頭(25)滿刻度時輸入信號的大小。噪聲輸入端(13)和選擇開關(16)是聯(lián)合使用的，選擇開關置I表示噪聲送給加法器I。置“ II ”表示噪聲送給加法器 2。(二) 參考通道組件就是參考通道，其作用是把輸入的正

12、弦波或方波統(tǒng)一變成幅度恒定的方波送至相關器和同步積分器，方波可以被移相，相位由00 3600。連續(xù)可調，相移量是按鍵 28(a) 前面板a血鄭圧2圖12-8 NL-1鎖定放大器前，后面板控制旋鈕示意圖和旋鈕（3 0）讀數(shù)之和。參考輸入信號電平為 100mV- 50V,從（29）端輸入，（27）端是方 波監(jiān)視，只有按上按鍵 （28）中的一個，才有方波輸出。鎖定放大器的輸出電壓從表頭（25）讀出，有時要改變表頭輸出電壓的極性，只要改變按鍵（28）使相移改變180。，表頭電壓的極 性就與原來的極性相反。（三）同步積分器和相關器這是鎖定放大器的核心部分，其電路和旋鈕基本上在組件III。包括同步積分器、

13、加法器、 交流放定器、相敏檢波器、低通濾波器和直流放大器等。這些電路的功能是：抑制 噪聲，對信號進行同步檢測。面板上，積分時間”旋鈕（17）調節(jié)同步積分器的積分時間常數(shù)當，只需要相關器而不用同步積分器，把旋鈕置0即可，這時信號直接由交流通道送至相關器，“時間常數(shù)”旋鈕（18）調節(jié)低通濾波器的時間常數(shù)，選擇時間常數(shù)的一般原 則是：在保證儀器輸出信噪比足夠的條件下，盡量減小時間常數(shù)， 提高輸出時間的響應。交流輸出端（20）用于觀察同步積分器的各級波形，觀察哪一級波形由輸出選擇旋鈕（19）控制,旋鈕分五擋：0 （無波形輸出），1 （加法器1輸出的波形），2 （同步積分器輸出的波形）， 3 （加法器2

14、輸出的波形），4 （相敏檢波器的輸出波形，簡稱PSD的輸出波形）。輸出端（23）輸出的是直流電壓， 與表頭所顯示的電壓相同。零偏開關（22）和旋鈕（24）是聯(lián)合使用的，使用零偏可以擴大微小變化的指示，當開關（22）置0時表示不使用零偏。由于儀器有兩個加法器和交流輸出裝置，故除可用于測量電信號外，還有兩個作用：1. 研究相關器。從信號輸入端（10 ）或噪聲輸入端（13 ）（開關（16 ）置VFS VVfs KpaV ?（mV）輸入正弦信號，可以觀察相關器的 PSD輸出的波形，從信號 Kpa 10輸入端輸入正弦信號和從噪聲輸入端輸入白噪聲，可以觀察兩者相加后的波形和相加后經過PSD輸出的波形。2.

15、 研究同步積分器。與研究相關器的方法相似。鎖定放大器的測量結果按下述方法計算：設表頭讀數(shù)為V。，靈敏度旋鈕指示為 Vfs。前置放大器的放大倍數(shù)為Kpa，求得被測信號的有效值V為:ViVFS(12-9 )此外，本鎖定放大器還附有1KHZ正弦信號源，10KHZ正弦信號源和白噪聲源，如圖12-7 ,12-8（ B）所示，它們都可以獨立適用，組件V就是本機的電源控制旋鈕。三、實驗內容和步驟（一）熟識鎖定放大器的工作情況，進行交直流線性關系測量。1. 閱讀NL-1鎖定放大器使用說明書第五部：使用操作步驟。2. 檢驗參考通道，測量鎖定放大器的支流輸出信號與交流輸出信號之間的線性關系。（1）.從鎖定放大器后

16、面板的 1KHZ正弦信號輸出端（36）取出100mV有效值）的信號（調節(jié)旋鈕（37）用毫伏表測量，一下個步驟中取出信號或白噪聲的方法同此），按圖12-9連接號線路。順次按下0,90,180,270按鍵，調節(jié)0 1000相移旋鈕（30）,觀察上，下?lián)苄蜗鬄椴璧淖兓?。改變輸入信號的大小，方波是否改變？?）.按圖12-10連接好測量線路，并用一電纜連接牽制放大器的輸出端（7）與高低通濾波器的輸入端（10）,當被測信號較大時，也可以直接從（10）端輸入，調節(jié)鎖定放大器各開關旋鈕的位置如下：“測量一短路”開關先置“短路”，測量時置“測量” ，“ A-A-B ”開 關置A, “浮地-接地”開關置接地，高

17、通置 100KHZ低通置“最大” （62.5KHZ） “積分時 間”和“時間常數(shù)”旋鈕置1S,偏置開關（22）置0,靈敏度先置1000Mv,針后慢慢增大。12-10交直流線性關系測量接線圖當有信號輸入時，增大靈敏度至表頭指針有偏轉， 調節(jié)參考信號相移使偏轉幅度最大， 從表 頭讀出支流輸出電壓 V。，改變變阻器 R的阻值（注意保持毫伏表的電壓為 500Mv）,使輸入鎖定放大器的交流信號的幅度改變，記錄下表頭直流電壓。 從各分壓電阻的數(shù)值可以算出對應的輸入交流電壓，列表，畫圖。12-11PSD的波形觀察和輸出電壓測量接線圖（二）相關器的波形觀察和參數(shù)量1. 相關器的波形觀察和輸出電壓測量按圖（12

18、-11）接好線,鎖定放大器的靈敏度置1000 mV,加法選擇開關（16）置II,表示 將噪聲輸入（13）輸入的信號送至加法器 2,然后進入相關器,時間常數(shù)旋鈕置1s,零偏開 關（22）置0.按下” 00 按鍵,調節(jié)相移旋鈕使表頭的電壓最大（指針偏左）,輸出選擇”開關置4,示波器下線將出現(xiàn)輸入信號與參考信號之間的相位差為0時的PSD俞出的波形，觀察示波器的方波Vr,PSD輸出的波形V 和讀出表頭電壓 VoVO,分別再按下900 , 1800和2700 按鍵，得到相應的波形和輸出電壓，如圖12-3 所示,說明由此得出什么結論？（三）觀測相關器對噪聲的抑制作用1. 鎖定放大器的高通置100Hz，低通

19、置1.5kHz,同步積分器的積分時間常數(shù)旋鈕（17）置0,其余開關旋鈕的位置同步驟（二）中1.2. 從后面板取出1kHz,500mV的正弦信號，按圖12-12連接好，并接上示波器，觀察PSD俞出的波形，然后再取出100mV勺白噪聲（用毫伏表測量）,并用示波器觀察其波形.把白噪聲接至噪 聲輸入端，輸出選擇開關置3和4,觀察加法器2輸出的信號與白噪聲混合的波形和PSD的輸出波形12-12觀察相關器抑制噪聲作用的接線圖3. 用毫伏表或示波器接交流輸出端，測量輸入至乘法器的輸入信號和白噪聲，使它們的大小分別是Vsi =500mv, Vni 1000mV ,表明相關起的輸入信噪比 V / Vni =1/

20、2。4. 用記錄儀畫出支流信號圖形。記錄儀的丫軸量程為1V/CM X軸取10S/CM勺畫圖速度，分別畫出相關器的時間常數(shù)為 0.01S,0.1S,1S,10S時的直流輸出圖形，并畫出無噪聲輸入，且 時間常數(shù)取1S時輸出的圖形相比較，并從圖上分析：（1）輸出信號是否以有用信號為主，噪聲只占很小的分量？（2）噪聲是否隨著時間常數(shù)的增大而減??？5. 用記錄儀畫出噪聲的輸出圖像。記錄儀丫軸量程改為50MV/CM相當于把噪聲放大20倍，鎖相放大器中的“零偏”開關撥向右邊，調“零偏”旋鈕使表頭的直流輸出為零，這相當于抵消了輸出信號中的有用信號，只留下噪聲送到記錄儀上，同樣畫出時間常數(shù)為0.01S,0.1S,1S,10S 及無噪聲時的輸出。6. 按照5畫出的圖形，求出四個時間對應的輸出噪聲的峰值VNO（P P），并近似按下式求出輸出噪聲的有效值VNO :Vno Vno（p p） / A式中A是峰峰值與有效值之間的換算系數(shù)，它與很多因素有關，用記錄儀測量時，可取A=6, Vno是否比V小得多？7.已知白噪聲的帶寬 VfN0 20KHZ , Vs0 , Vsi , Vni輸入,輸出讀數(shù)中得到，請按下面的式子，求出0.01s,0.1s,1s,10s時的輸出噪聲（其中 VfN0可由式12-7求出）。VS0 /VNOVsi /Vni(12-11)計算結果與上式是否相符？并分析相關器對噪聲的抑制