鎖相放大器原理實驗報告

1、艾孜買提江11180226物理112班鎖相放大器原理實驗報告一、實驗?zāi)康?l、了解相關(guān)器的原理，測量相關(guān)器的輸出特性；2、了解鎖定放大器的原理及典型框圖；3、根據(jù)典型框圖，組裝鎖定放大器；熟悉鎖定放大器的使用方法 二、實驗原理 實際測量一個被測量時，無用的噪聲和干擾總是伴隨著出現(xiàn)，影響了測量的精確性和靈敏度。特別當噪聲功率超過待測信號功率時，就需要用微弱信號檢測儀器和設(shè)備來恢復或檢測原始信號。這些檢測儀器是根據(jù)改進信噪比的原則設(shè)計和制作的?？梢宰C明，當信號的頻率和相位己知時。采用相干檢測技術(shù)能使輸出信噪比達到最大，微弱信號檢測的著名儀器鎖定放大器，就是采用這一技術(shù)設(shè)計與制造的。鎖定放大器是以相

2、干檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，其核心部分是相關(guān)器，基本原理框圖如圖1所示。而鎖定放大器的主要由三部分組成，即：信號通道(相關(guān)器前那一部分)、參考通道和相關(guān)器(包括直流放大器)。圖1. 鎖定放大器的基本原理圖首先介紹相關(guān)器：它是鎖定放大器的核心部分，其基本原理如下：1、相關(guān)接收原理互相關(guān)接收對于已知為周期性的信號的檢測十分有用。圖所示，輸入乘法器的兩路信號中，e1(t)為被檢測信號，是va(t)與背景信號vn(t)的疊加，e2(t)為在接收設(shè)備中設(shè)法產(chǎn)生的與被檢測信號va(t)同步的參考信號vb(t)。將參考信號與雜有噪聲的輸入信號進行相關(guān)，得到被測信號的相關(guān)函數(shù)，就代表了被測信號。其相關(guān)函數(shù)為：由于噪聲v

3、n(t)與參考信號vb(t)的相關(guān)性，rnb()=0，因此有 2、相關(guān)器 相關(guān)器由相敏檢波器(psd)與低通濾波器組成，是鎖定放大器的核心部件。鎖定放圖3 鎖定放大器中通常采用的相關(guān)器大器中的相關(guān)器，通常采用圖3所示的形式，由一個開關(guān)式乘法器(x)與低通濾波器(lpf)組成。(1)同步檢測器 令圖3中輸入開關(guān)乘法器的被測信號va(t)和參考信號vb(t)分別為 則開關(guān)乘法器的輸出信號為可見開關(guān)乘法器的輸出由和頻(wa+wb)和差頻(wa-wb)兩部分組成。當(wa=wb)或wa在wb附近時，則以低通濾波器組成的積分器取出差額分量來檢測信號。當(wa=wb)時，同步檢測器的輸出信號v0為 式中k

4、b為與參考信號幅度vb和低通濾波器傳輸函數(shù)有關(guān)的常數(shù)；為被測信號與參考信號的相位差，即=a一b。 同步檢測器的輸出信號與被測信號的幅度va有關(guān)，也與被測信號與參考信號的相位差有關(guān)。當調(diào)整參考信號的相位差，使a=b時，同步檢測器的輸出信號只與被測信號的幅度有關(guān)，因而實現(xiàn)了幅度檢測的要求?，F(xiàn)在的鎖相放大器不是采用模擬乘法器，而是采用開關(guān)電路構(gòu)成的psd電路作為相干檢測器。(2)psd的工作過程 圖4是psd的基本框圖。圖4. psd的基本框圖.開關(guān)型乘法器的參考信號vb是頻率wb 的單位幅度對稱方波。與被測信號va(t)相乘得到v1的信號為：當(wa=wb )時，低通濾波器(lpf)的輸出為： 式

5、中，al(0)為低通濾波器(lpf)的傳輸函數(shù)；k為只與傳輸系數(shù)有關(guān)、與參考信號幅度無關(guān)的電路常數(shù)；=a一b。即被測信號與參考信號的位相差。輸出直流電壓vo與位相差成cos關(guān)系。由v0可見，psd的輸出信號與被測信號的幅度有關(guān)。也與被測信號和參考信號的位相差有關(guān)。當改變參考信號的位相差時，可以得到不同的輸出，圖5給出不同位相差各點的波形。圖5.相關(guān)器各點波形圖。(注：圖中低通濾波器為反相輸入。因此，輸出直流電壓與v1反號，本圖中為了更直觀起見，畫的低通濾波器不倒相，v0與v1中的直流分量同號)。(3)psd的特性：諧波響應(yīng)在psd中由于參考信號為對稱方波當輸入信號頻率wa與參考信號的某奇次項頻

6、率(2n+1) wb相同時，經(jīng)低通濾波器濾波后輸出的直流分量為當（）jj時，即相敏檢波器的輸出直流電壓可能為，等即當輸入信號內(nèi)含有參考信號頻率fb的諧波成分時，psd的輸出電壓內(nèi)也含有各諧波成分的檢出量，其電壓傳輸函數(shù)與基波的比例為：1/3：1/5：1/7：.圖7畫出了psd諧波響應(yīng)特性。圖中各次諧波所對應(yīng)的通帶寬度由低通濾波器的等效噪聲帶寬所決定。因此，psd可以看成一個基波為參考頻率fb的梳狀濾波器。圖7. psd的諧波響應(yīng)接下來是對組成鎖定放大器的其他二部分的簡單介紹：1、信號通道 信號通道是相關(guān)器前的一部分，由低噪聲前置放大器，各種功能的有源濾波器，主放大器等部分組成。其作用是把微弱信

7、號放大到足以推動相關(guān)器工作的電平，并兼有抑制和濾掉部分干擾和噪聲，擴大儀器的動態(tài)范圍。信號通道要求具有低噪聲和高增益的性能，前置放大器是鎖定放大器的第一級，由于被測信小，有可能是100 nv或10 nv甚至更小，則要求前置放大器必須具備低噪聲的特點。否則將由于放大器本身的噪聲將使信號淹沒得更深。在測量中對于不同測量要采用不同的傳感器，各種傳感器的輸出阻抗不一樣，即對前置放大器而言就呈現(xiàn)出不同的信號源內(nèi)阻。為了得到最佳噪聲性能，必須使前置放大器工作在最佳信號源內(nèi)阻條件下。這樣必須設(shè)計不同最佳信號源內(nèi)阻的前置放大器或采用輸入匹配變壓器，使放大器在最佳信號源內(nèi)阻的條件下工作，達到最佳噪聲性能。另外，

8、還必須考慮前置放大器具備有足夠的放大倍數(shù)(100或1000倍)，強的共模抑制能力，較大的動態(tài)范圍等。信號通道中的有源濾波器，有時也稱相關(guān)器前有源濾波器，這是為了便于和相關(guān)器中的低通濾波器不相混淆而取的名稱。濾波器要求根據(jù)干擾和噪聲的不同類型可以采用帶通，高通，低通，帶阻，帶陷波等不同形式，或幾種同時使用。有源濾波器通常也具有放大能力，如果濾波器放大倍數(shù)還不夠，就要在相關(guān)器前再加入交流放大器2、參考通道互相關(guān)接收除了被測信號外，需要有另一個信號(參考信號)送到乘法器中，因此，參考通道是鎖定放大器區(qū)別于一般儀器的不可缺少的一個組成部分。其作用是產(chǎn)生與被測信號同步的參考信號輸給相關(guān)器。通常鎖定放大器

9、的參考通道輸出是和信號同步的對稱方波，用以驅(qū)動相關(guān)器的場效應(yīng)管開關(guān)。參考通道主要是由觸發(fā)電路、相移電路、方波形成電路和驅(qū)動級等幾部分組成。和信號同步的參考觸發(fā)信號，可以是儀器內(nèi)部產(chǎn)生或由外部輸入。大部分產(chǎn)品由外部輸入，輸入波形可以是正弦波、方波、三角波、脈沖等各種波形的周期信號。觸發(fā)電路有時也稱過零電路，能把各種波形的參考信號變成一定波形的同步脈沖，去觸發(fā)下一級電路。觸發(fā)電路要求有很大的觸發(fā)電平范圍和很寬的工作頻率范圍，通常觸發(fā)電平在幾十毫伏到幾十伏，頻率從零點幾赫到幾百千赫或更高。相移電路是參考通道的主要部件，它的功能是改變參考通道輸出方波的相位，要求在360內(nèi)可調(diào)。大部分的鎖定放大器的相移

10、部分由一個0 一100連續(xù)可調(diào)的相移器，以及相移量能跳變90、180和270的固定相移器組成，從而達到360范圍內(nèi)都能調(diào)的任何相移量。相移器的相移精度以及相移一頻率響應(yīng)都有一定的要求。方波形成電路的作用是把相移器送來的波形變成同步的占空比嚴格為1：1的方波。(為了抑制偶次諧波，占空比必須嚴格為1：1)。驅(qū)動級是把方波變成一對相位相反的方波，用以驅(qū)動相關(guān)器中場效應(yīng)管開關(guān)，根據(jù)開關(guān)對驅(qū)動電壓的要求，驅(qū)動級必須輸出一定幅度的方波電壓給相關(guān)器。3、相關(guān)器電原理框圖相關(guān)器實驗插件盒的相關(guān)器電原理框圖如圖8所示：圖8. 相關(guān)器電原理框圖這些部分的功能分別如下： 加法器：由運放組成，有兩個輸入端：一個是信號

11、輸入端，另一是噪聲或干擾信號輸入，把信號與噪聲混合起來，便于研究觀察相關(guān)器的抑制噪聲能力。加法器的輸出通過面板把電纜插頭引出可以觀察相加后的波形。 交流放大器：由另一運算放大接成反相放大，放大倍數(shù)為l，10，100。乘法器：由兩個運算放大器和一對開關(guān)組成開關(guān)式乘法器(或稱相敏檢波器psd)。輸出由面板電纜插頭輸出，供示波器觀察波形。 f低通濾波器：由運算放大器構(gòu)成rc波器，時間常數(shù)由rc決定，面板控制時間常數(shù)01 s，l s，l0 s。 直流放大器：低通輸出的直流電壓，由運放組成的直流放大器進行放大，放大倍數(shù)為l,10、100，分別由面板旋鈕控制。參考輸入與方波驅(qū)動電路：參考方波由面板電纜插座

12、輸入，經(jīng)兩運放變成相位相反的一對方波，控制開關(guān)式乘法器的開關(guān)，完成乘法器的功能。4、鎖定放大器 在我們了解了相關(guān)器的性能和鎖定放大器的基本框圖后?？梢缘玫芥i定放大器具有下列特點：(1)、鎖定放大器相當于以fb為中心頻率的帶通放大器，等效信號帶寬fs由相關(guān)器的時間常數(shù)決定。用公式表示為： 式中r0，c0為相關(guān)器的低通濾波器的濾波電阻和電容。(2)、鎖定放大器的等效噪聲帶寬fn 由相關(guān)器決定，重寫如下： 同樣由低通濾波器的時間常數(shù)t1=r。co決定。當fs=fb時，由公式可知，鎖定放大器的輸入為以時，輸出電壓v0由下式?jīng)Q定： 式中k為鎖定放大器的總放大倍數(shù)。為信號與參考信號之間的相位差。 該式表明

13、。鎖定放大器的輸出為直流電壓并正比于輸入信號的幅值和與參考信號之間相位差的余弦的乘積。改變輸入信號和待測信號的之間的相位差。可以求得輸入信號的振幅和相位三、實驗內(nèi)容與測試1、相關(guān)器的psd波形觀察及輸出電壓測量 (1)儀器： 雙蹤通用示波器一臺 微弱信號檢測技術(shù)實驗綜合裝置： 多功能信號源插件盒 1個 相關(guān)器插件盒 1個 寬帶相移器插件盒 1個 相位計插件盒 1術(shù) 頻率計插件盒 1個 交流，直流，噪聲電壓表插件盒 1個 實驗電源及機箱 2個 (2)實驗步驟：按圖9所示用電纜或?qū)Ь€連接。接通電源，預(yù)熱二分鐘，調(diào)節(jié)多功能信號源，使輸出頻率在l khz左右。用頻率計測量信號源頻率。調(diào)節(jié)輸出幅度旋鈕，

14、用交流、直流和噪聲電壓表測量輸出交流電壓，使輸出100 mv，置相關(guān)器直流放大倍10，交流放大倍數(shù)1。用示波器觀察psd輸出的波形。并用交流、直流和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1秒。調(diào)節(jié)寬帶相移器的相移量觀察psd的輸出波形。測量相關(guān)器輸出直流電壓與相關(guān)器的輸入信號對參考信號之間相位差之間的關(guān)系，用相位計測量值的大小。測試數(shù)據(jù)及示波器顯示psd的輸出波形如下：圖9. 相關(guān)器psd波形觀察及測量實驗框圖實驗數(shù)據(jù)如下：相位差為零度時，電壓為-0.993v。示波器顯示psd輸出信號的波形圖為：相位差為90度時，電壓為0.171v。示波器顯示psd輸出信號的波形圖為

15、：相位差為180度時，電壓為0.987v。示波器顯示psd輸出信號的波形圖為：相位差為270度時，電壓為-0.178v。示波器顯示psd輸出信號的波形圖為：2、相關(guān)器諧波響應(yīng)的測量與觀察 (1)實驗儀器：同實驗1。 (2)實驗步驟： 把上述實驗連接圖略作如下改變。寬帶相移器輸入信號由輸出(即n倍頻或頻)送給。多功能信號源功能”選擇置分頻。由于相關(guān)器的參考信號為輸入信號的分頻，即相關(guān)器的輸入信號為參考信號的n次倍頻。其它連接與測量方法同實驗1。 先置分頻數(shù)為1，由示波器觀察psd波形及測量psd輸出直流電壓，調(diào)節(jié)相移器的相移。使輸出直流電壓最大，并觀察示波器波形相同于全波整流波形，相位計測的相位差為0。記下上述數(shù)據(jù)。改變分數(shù)n為2,3,4，5，對于某一“n”值重復上述測量。實測結(jié)果為：奇次諧波輸出的直流響應(yīng)電壓為基波的直流響應(yīng)電壓的偶次諧波的輸出直流響應(yīng)為0，觀察psd輸出信號波形。數(shù)據(jù)及波形圖如下：n=1時，電壓為0.978v，psd信號波形為：n=2時，電壓