鎖定放大器設(shè)計(jì)

1、目前微弱信號檢測儀器，極大部分都是在上述的這些方法指導(dǎo)下設(shè)計(jì)與研制的，大致可以分下列幾類：鎖定放大器相關(guān)檢測（相干檢測）它是目前最常用的儀器，適于對淹沒在噪聲背景中的正弦波或方波信號的檢測。它的使用范圍之廣已遍及各個(gè)領(lǐng)域，使用十分普遍。取樣積分器，多點(diǎn)信號平均器重復(fù)信號的時(shí)域平均這種儀器用于淹沒在噪聲背景中的信號波形的恢復(fù)。測量信噪比的提高，遵守法則。取樣積分器適于快速信號波形的恢復(fù)，多點(diǎn)信號平均器適于低頻信號的恢復(fù)。單道光子計(jì)數(shù)器，光學(xué)多通道分析器（oma）離散信號的統(tǒng)計(jì)處理方法這兩種儀器用于極微弱光的測量。由于微弱光的量子化，光子流具有離散信號的特征，使利用離散信息處理方法檢測成為可能。單

2、道光子計(jì)數(shù)器是采用光電倍增管（pmt）作傳感器，具有明顯單光子峰，采用脈沖甄別計(jì)數(shù)技術(shù)，檢測微弱光。光學(xué)多通道分析器（oma），采用光導(dǎo)攝象管等多路轉(zhuǎn)換器件。配上微處理器處理，能得到x、y、t三維圖像。具有時(shí)間分辨測量的能力，為動(dòng)力學(xué)過程 的研究創(chuàng)造了條件。計(jì)算機(jī)處理的方法隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，原來在微弱信號檢測中一些需要用硬件完成的檢測系統(tǒng)，可以用軟件來實(shí)現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行曲線擬合，平滑，數(shù)字濾波，快速富里葉變換（fft）及譜估計(jì)等方法理信號，提高信噪比，實(shí)現(xiàn)微弱信檢測的要求。光電實(shí)驗(yàn)的弱信號檢測模塊包括相關(guān)器和鎖定放大器實(shí)驗(yàn)和多點(diǎn)積分器實(shí)驗(yàn)，分別介紹相關(guān)接收和同步積累這兩種方法。相關(guān)器

3、和鎖定放大器實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解和掌握相關(guān)器、鎖定放大器工作原理；（2）測定相關(guān)器的性能和輸出特性；（3）*觀察相關(guān)器對倍頻干擾的抑制作用，觀察并測定相關(guān)器對倍頻干擾的抑制性能；（4）*掌握雙相鎖定放大器工作原理，并測試雙相鎖定放大器的輸出特性；二、 鎖定放大器和相關(guān)器的工作原理在非電量（如光強(qiáng)、速度、溫度、壓力等信號）的電測量過程中，需要用傳感器把被測物理量轉(zhuǎn)換成電信號即被測信號，送到測量放大器進(jìn)行處理。在這一過程中各種干擾、噪聲信號等雜亂信號也一并混在被測信號中，被測信號越微弱，雜亂信號相對就越大，測量放大器輸出信噪比就越小，當(dāng)被測信號十分微小、雜亂信號足以在放大過程中淹沒被測信號

4、時(shí)，常規(guī)放大器已經(jīng)無法勝任被測信號的檢測放大工作，必須用特殊的方法，鎖定放大器就是專門在雜亂信號背景中對傳感器輸出的微弱的被測信號進(jìn)行檢測提取的儀器。鎖定放大器的使用幾乎是與調(diào)制過程連在一起的。使用鎖定放大器時(shí)，一般先用一個(gè)已知頻率的參考信號對傳感器輸出的被測信號進(jìn)行調(diào)制，作為鎖定放大器的輸入信號，調(diào)制的目的就是賦予被測信號與參考信號的相關(guān)性，而雜亂信號不具備這種相關(guān)性，鎖定放大器根據(jù)這種相關(guān)性甄別輸入信號和雜亂信號，并據(jù)此把輸入信號還原為調(diào)制前的被測信號，提取被噪聲和干擾淹沒的測量結(jié)果。對傳感器輸出信號進(jìn)行調(diào)制的方法是多種多樣的，很多情況是結(jié)合傳感器的工作原理進(jìn)行的，例如光學(xué)測量中，對被測光

5、的光強(qiáng)進(jìn)行斬光調(diào)制，使被測光強(qiáng)與環(huán)境干擾光強(qiáng)產(chǎn)生區(qū)別，傳感器輸出中既有被調(diào)制后的與調(diào)制信號嚴(yán)格相關(guān)的被測信號，又有環(huán)境光產(chǎn)生的雜亂信號，鎖定放大器也能通過相干檢測的方法提取被測信號。數(shù)學(xué)上可以證明利用輸入信號與參考信號的相關(guān)性進(jìn)行檢測的方法可以把信噪比提高到常規(guī)方法難以想像的程度，在這種方法中，信噪比的提高主要取決于相關(guān)器中的低通濾波器的時(shí)間常數(shù)和調(diào)制頻率，調(diào)制頻率越高，被測信號變化越緩慢，則可以用時(shí)間常數(shù)越長的濾波器把信噪比做的越高，這一優(yōu)點(diǎn)使凡是可以對傳感器的原始信號進(jìn)行調(diào)制的場合，一般都用鎖定放大器進(jìn)行信號檢測，因此鎖定放大器是目前微弱信號檢測的最主要的方法之一。鎖定放大器的輸入信號是頻

6、率為調(diào)制頻率的交流信號，而輸出端為直流緩變的被測信號，輸入是交流輸出是直流，輸出信號是輸入信號中的被測信號成分。由于傳感器信號經(jīng)調(diào)制后的交流信號頻率固定，這樣可以避免使用直流放大器，采用窄帶交流放大器，采用窄帶交流放大器可以降低成本、避免直流溫漂和時(shí)漂、降低噪聲，提高共模抑制比、抑制噪聲和干擾，帶來了一系列優(yōu)點(diǎn)。鎖定放大器的關(guān)鍵是在還原調(diào)制前被測信號的過程中利用輸入信號與參考信號的相關(guān)性進(jìn)行相敏檢波，它的技術(shù)核心是相關(guān)器。鎖定放大器基本原理框圖如圖1所示。圖中經(jīng)參考信號調(diào)制的傳感器輸出作為鎖定放大器的輸入信號被送到信號通道進(jìn)行阻抗匹配、幅度匹配和交流窄帶放大，信號通道采用成本相對低廉的交流窄帶

7、放大器；參考信號通過參考通道觸發(fā)整形、移相加工形成單位對稱方波；相關(guān)器通過把輸入信號與參考信號相乘后再積分的辦法，抑制各種噪聲和干擾，提取信號中與參考信號相關(guān)的成分，把它還原傳感器輸出的被測信號。相關(guān)器是鎖定放大器的核心部件，也是本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容。交流窄帶放大器濾波器調(diào)制后的傳感器輸出信號輸入?yún)⒖夹盘栃盘柾ǖ溃ㄗ杩蛊ヅ洹V波、放大）相關(guān)器（相敏檢波psd）dc輸出參考通道傳感器參考信號發(fā)生器被測物理量信號檢測與調(diào)制部分鎖定放大器部分整形移相、輸出單位對稱方波psd輸出圖1 鎖定放大器基本原理框圖（1）信號通道信號通道位于相關(guān)器之前，由靈敏度和阻抗匹配電路、低噪聲前置放大器，窄帶交流放大器等部

8、分組成。作用是放大微弱的輸入信號，并兼有抑制和濾掉部分干擾和噪聲，擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍。信號通道要求低噪聲和高增益的性能，擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍。信號通道要求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，由于輸入信號很小，可能是100nv到10nv甚至更小，則要求前置放大器必須具備低噪聲的特點(diǎn)。否則將由于放大器本身的噪聲將使信號淹沒得更深。由于半導(dǎo)體低噪聲器件不斷改善和對低噪聲電路的研究，目前國內(nèi)外已生產(chǎn)出輸入端短路噪聲電壓為幾的前置放大器，目前已研制出輸入端短路噪聲電壓也能達(dá)到小于數(shù)量級。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

9、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)阻的條件下。這樣必須要設(shè)計(jì)不同最佳信號源內(nèi)阻的前置放大器或采用輸入變壓器匹配，使放大器滿足在最佳信號源內(nèi)阻的條件下工作，使噪聲性能最佳。另外，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(qiáng)的共模抑制能力，較大的動(dòng)態(tài)范圍等。信號通道中的有源濾波器，有時(shí)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(shí)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。近

10、代鎖定放大器技術(shù)中一般把有源濾波與交流放大組合為完整的窄帶交流放大器?，F(xiàn)代的放大器技術(shù)均采用模擬集成運(yùn)算放大器，常用的有ad公司的op系列低漂移運(yùn)放如op-07,美國國半的lm系列等，可以使放大器的設(shè)計(jì)簡化，成本降低。（2）參考通道相關(guān)接收除了輸入信號外，需要有參考信號送到乘法器中，因此，參考通道是鎖定放大器區(qū)別于一般儀器不可缺少的一個(gè)組成部分。它把與輸入信號同步的參考信號送給相關(guān)器。通常鎖定放大器的參考通道輸出是和輸入信號同步的對稱方波，用以去驅(qū)動(dòng)相關(guān)器的場效應(yīng)管或集成模擬開關(guān)。參考通道主要是觸發(fā)電路、相移電路、方波形成電路和驅(qū)動(dòng)級等幾部分組成。和輸入信號同步的參考觸發(fā)信號，可以是儀器內(nèi)部產(chǎn)

11、生或外部輸入。大部分產(chǎn)品外部輸入，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。一般情況下，參考信號和調(diào)制信號為同一信號的兩種表現(xiàn)形式，這樣才能確保輸入信號與參考信號的相關(guān)性。為了可以改變輸入信號與參考信號的相位關(guān)系，需要有相移電路，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)。鎖定放大器的相移部分由一個(gè)0100連續(xù)可調(diào)的相移器，以及相移量能跳變90、180、270的固定相移器組成，從而達(dá)到360范圍內(nèi)都能調(diào)的任何相移量。對于相移器的相移精度以及相移頻率響應(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(yán)格為11

12、的單位方波。（為了仰制偶次諧波必須占空比嚴(yán)格為11）。驅(qū)動(dòng)級把方波變成一對相位相反的方波，用以驅(qū)動(dòng)相關(guān)器中的模擬開關(guān)，根據(jù)開關(guān)對驅(qū)動(dòng)電壓的要求，驅(qū)動(dòng)級輸出一定幅度的方波電壓給相關(guān)器。參考通道一般由集成的ttl或cmos數(shù)字電路組成。需要考慮的是數(shù)字電路與模擬電路的電平接口匹配。（3）相關(guān)器相關(guān)器是鎖定放大器的核心部分，利用參考信號與輸入信號的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)從噪聲和干擾中提取被測信號的工作，只有輸入信號中與參考信號相干的成分在輸出信號中有很好的表達(dá)，雜亂不具備這種相關(guān)性而被抑制。圖2就是一個(gè)典型的用于鎖定放大器中的相關(guān)器電原理圖：vbvar1roco積分器乘法器v1圖2、典型的相關(guān)器原理圖v0psd

13、輸出vb1下面重點(diǎn)討論相關(guān)器工作原理。相關(guān)器的輸出可通過數(shù)學(xué)求解。 設(shè)是輸入信號，它可以是經(jīng)調(diào)制后的傳感器信號，也可以是反映在輸入端的雜亂信號，當(dāng)是經(jīng)調(diào)制后的傳感器信號時(shí)，就是調(diào)制前的傳感器信號（被測信號）。一般為正弦波。是參考信號，是頻率為的、占空比和幅值均為1的單位對稱方波，乘法器一般由相敏檢波器（也稱psd）構(gòu)成，其輸出可以表達(dá)為：vb高電平時(shí)輸出v1=va,vb低電平時(shí)v1=-va,， 單位對稱方波可以用富氏級數(shù)展開為奇次諧波之和，因此、可以表示為：其中是輸入信號與參考信號的相位差。v1為va與vb的乘積，vo為v1的積分，忽略高次項(xiàng)后有：式中：該式就是相關(guān)器在輸入和作用下的輸出響應(yīng)。

14、當(dāng)為的整數(shù)倍時(shí)，設(shè)1，當(dāng)為奇數(shù)且時(shí)，有輸出為 ，即輸入信號頻率為參考信號頻率的奇數(shù)倍時(shí)相關(guān)器有輸出且輸出被衰減倍，進(jìn)一步分析可知隨著頻偏增大即為其它值時(shí)，輸出迅速降低為零，相關(guān)器無輸出，相關(guān)器表現(xiàn)為高q值帶通濾波器，對混在輸入信號中的雜亂信號有極強(qiáng)的抑制作用。2，當(dāng)時(shí)有 ，表示輸入信號與參考信號頻率相同，此時(shí)有 其中 ，（負(fù)號代表是反相輸入，不影響輸出絕對值），證明相關(guān)器是以參考信號頻率為匹配參數(shù)的匹配濾波器，因此能在其它信號混合中檢測提取和參考信號同頻的輸入信號。圖a是時(shí)相關(guān)器各點(diǎn)輸出，仔細(xì)看懂下圖有助于理解相關(guān)器工作原理： 圖a由（）式可知，相關(guān)器直流輸出隨發(fā)生很大變化：當(dāng)時(shí)輸出直流有最大

15、值，此時(shí)輸出信號為輸入信號幅值的倍,由于，被測信號與參考信號極性同步翻轉(zhuǎn)，被測信號為正時(shí) ，被測信號為負(fù)時(shí)，這種情況類似于檢波器，低通濾波器lpf對檢波后的信號進(jìn)行濾波；時(shí)輸出為零； 被調(diào)制后的傳感器信號與參考信號是相干的，因此有固定的值，通過移相電路使，可獲得輸出為 ，可見輸出反映了輸入信號的幅值，正是被測信號。移相電路的作用就是使，因此移相器是鎖定放大器中不可或缺的部分。3，當(dāng)/為偶數(shù)或非整數(shù)時(shí)，隨時(shí)間衰減為另，時(shí)間常數(shù)是 。4，如果將參考信號相位移動(dòng)，送到另一個(gè)相關(guān)器中，組成雙相鎖定放大器，兩個(gè)相關(guān)器的輸出正交，從兩個(gè)相關(guān)器輸出可求出被測信號以及相位差。此時(shí)無需電路實(shí)現(xiàn)相對復(fù)雜的移相器。

16、雜亂信號與參考信號是不相干的，因此不斷地變化，沒有固定的值， 在乘法器輸出中這種信號時(shí)大時(shí)小，時(shí)正時(shí)負(fù)，被其后的低通濾波器濾除，能通過的雜亂信號取決于低通濾波器的時(shí)間常數(shù)亦即相關(guān)器時(shí)間常數(shù)。 5，由于相關(guān)器時(shí)間常數(shù)為 ，根據(jù)噪聲性質(zhì)以及帶寬的定義可知：基波噪聲帶寬為： ；總噪聲帶寬為： 等效信號帶寬為： 以上（3）、（4）、（5）式也是鎖定放大器的基波噪聲帶寬、總噪聲帶寬和等效信號帶寬。為了對鎖定放大器的抑制噪聲能力有一個(gè)定量的了解。根據(jù)實(shí)際儀器假設(shè)幾個(gè)數(shù)據(jù)，求出鎖定放大器的信號帶寬和噪聲帶寬。目前國內(nèi)外的產(chǎn)品，由面板可控制的時(shí)間常數(shù)，最大值為300秒，（此時(shí)通過的被測信號時(shí)間常數(shù)要大于秒），

17、即t1=roco=300秒，代入（4）和（5）式，求得：這些和的數(shù)值表明，鎖定放大器具有十分窄的信號帶寬和噪聲帶寬。如果工作頻率fs為10khz，這時(shí)，相當(dāng)?shù)膸ǚ糯笃鞯膓值： 這樣高q的帶通濾波器，是常規(guī)帶通濾波器所不能達(dá)到的。但對于鎖定放大器，不必?fù)?dān)心這樣高的q值會由于元件的環(huán)境溫度，工作頻率，工作環(huán)境的變化帶來不穩(wěn)定。因?yàn)橄嚓P(guān)器只是等效于帶通濾波器，而不是一個(gè)真正的帶通濾波器。如果真的有一個(gè)q=108的帶通放大器，很可能由于元件、信號源頻率等穩(wěn)定性問題，而使實(shí)際系統(tǒng)無法工作。這里的鎖定放大器，信號和參考信號嚴(yán)格相關(guān)同步，相當(dāng)于一個(gè)“跟蹤”濾波器，也就不存在頻率的穩(wěn)定性問題。關(guān)鍵是“跟蹤”

18、兩字。等效q值是由低通濾波器的時(shí)間常數(shù)決定的，元件的穩(wěn)定性只不過影響帶寬而已，不會導(dǎo)致電路失諧，常規(guī)帶通放大器的缺點(diǎn)這里不存在。對鎖定放大器仰制噪聲的能力做一個(gè)估算，由于白噪聲電壓和噪聲帶寬平方根成正比，設(shè)儀器輸入級等效噪聲帶寬，相關(guān)器的輸出等效噪聲帶寬由上述假設(shè)的數(shù)據(jù)為，可以求得電壓輸出信噪比和電壓輸入信噪比的關(guān)系。（）式表明相關(guān)器可使電壓信噪比提高一萬多倍。功率信噪比提高了80分貝以上。這些數(shù)據(jù)充分表明，采用相關(guān)器技術(shù)設(shè)計(jì)的鎖定放大器，具有很強(qiáng)的仰制噪聲能力。（）式表明，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的相位差的余弦的乘積成正比。改變參考信號和被測信號之間

19、的相位差，可以求得輸入信號的振幅和相位。在結(jié)束這一節(jié)之前，對于鎖定放大器的名稱作一說明。鎖定放大器（lock in amplifier）的“鎖定”兩字，是指儀器有響應(yīng)的信號頻率鎖定在參考頻率上，參考頻率可以是儀器內(nèi)部產(chǎn)生或由外部輸入信號觸發(fā)。但是，有一點(diǎn)必須指出，鎖定放大器和一般的帶通放大器不同，輸出信號并不是輸入信號的簡單放大，而是輸入交流信號輸出直流，這并不符合常規(guī)放大器的定義，鎖定放大器的通道部分是放大器，而相關(guān)器本質(zhì)上起同步檢測作用，相關(guān)器的放大作用不是主要的，鎖定放大器命名為“鎖定檢測儀”或“同步檢測儀”可能更確切一些，或命名“鎖定分析器”更好。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1,儀器：（a）雙蹤通用示波器 1臺（b）微弱信號檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)綜合裝置相關(guān)器插件盒