鎖相放大器實(shí)驗(yàn)報(bào)告BY陳群

1、鎖相放大器實(shí)驗(yàn)報(bào)告BY陳群浙江師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱鎖相放大實(shí)驗(yàn)班級(jí)物理071姓 名陳群學(xué)號(hào)07180116同組人劉懿鈞實(shí)驗(yàn)日期09/12/1室溫氣溫鎖相放大實(shí)驗(yàn)摘要：鎖相放大器(Lock-in amplifier, LIA)自問世以來(lái)，在微弱信號(hào)檢測(cè) 方面顯示出優(yōu)秀的性能，它能夠在較強(qiáng)的噪聲中提取信號(hào)，使測(cè)量精度大大提高，在科 學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它利用待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的互相關(guān)檢測(cè) 原理實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的窄帶化處理，能有效地抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)和跟 蹤。因此，學(xué)生掌握鎖相放大技術(shù)的原理與應(yīng)用具有重要的意義。關(guān)鍵詞：鎖相 放大器微弱信號(hào)PSD信號(hào)引言：在進(jìn)展一日千里的現(xiàn)代科技

2、領(lǐng)域中，精密量測(cè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)于近代工 業(yè)有關(guān)鍵性的影響。當(dāng)我們研究的系統(tǒng)日趨龐大，交互作用復(fù)雜，但所欲了解的現(xiàn)象卻 越來(lái)越精細(xì)時(shí)，如何在一大堆訊號(hào)中獲得我們真正想要的信息便成為一個(gè)重要 的課題。一般的線性放大器可以將微弱的電子訊號(hào)放大，但若我們所要的信號(hào) 中伴隨著噪聲信號(hào)，則兩者都會(huì)一起放大，亦即此伴隨的噪聲無(wú)法濾除。尤其 當(dāng)噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)大于所要的信號(hào)時(shí)，即必須藉助特殊的放大器以同時(shí)放大訊號(hào)并 濾去噪聲。鎖相放大器是一種能測(cè)量極微弱的連續(xù)周期性信號(hào)的儀器。這些微 弱信號(hào)可以小至數(shù)奈伏特(nV),其至隱藏在大它數(shù)千倍的噪聲當(dāng)中，亦能精確 的測(cè)得。連續(xù)周期性信號(hào)與噪聲不同之處，在于前者具有固定的頻率

3、及相位，后者則雜亂無(wú)章。鎖相放大器便是利用所謂”相位靈墩偵測(cè)(phase-sensitive detection, PSD)”的技術(shù)以取得具有特定頻率與相位的信號(hào)，而不同于此頻 率的噪聲則被抑制下來(lái)，使輸出訊號(hào)不受噪聲影響。實(shí)驗(yàn)方案：實(shí)驗(yàn)原理鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，包括信號(hào)通道、參考通道、相敬檢測(cè)器(PSD)和低通濾波器(LPF)等。信號(hào)通道對(duì)調(diào)制正弦信號(hào)輸入進(jìn)行交流放大，將微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相敬 檢測(cè)器工作的平臺(tái)，并且要濾除部分干擾和噪聲，以提高相敬檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圉。參考通道對(duì)參考輸入進(jìn)行放大和衰減，以適應(yīng)相敬檢測(cè)器對(duì)幅度的要求。參考 通道的另一個(gè)重要功能是對(duì)參考輸入進(jìn)行移相處理，以

4、使各種不同的相移信號(hào)的檢 測(cè)結(jié)果達(dá)到最佳。鎖相放大器的核心部件是PSD,它以參考信號(hào)r(t)為基準(zhǔn)，對(duì)有用信號(hào)x(t)進(jìn) 行相敬檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)頻譜遷移過(guò)程。將x(t)的頻譜山3二30處，再經(jīng)LPF濾除 噪聲，輸出直流信號(hào)，其幅度與兩路輸入信號(hào)幅度及它們的相位有關(guān)。其輸出 uO(t)對(duì)x(t)的幅度和相位都敏感，這樣就達(dá)到了既鑒幅乂鑒相的忖的。因?yàn)長(zhǎng)PF 的頻帶可以做得很窄，所以可使鎖相放大器達(dá)到較大的SNIRo下圖為不同相位時(shí) 相敬檢測(cè)器的輸出波形*>°rtzFl= °lJ Ifv>l尸1二尸卜?ay峙4Ml不同相位時(shí)相敬檢測(cè)器的波形當(dāng)兩輸入信號(hào)的振幅一定時(shí)，相

5、敬檢波器的輸出與輸入信號(hào)的相位差的余弦成 正比。兩同相信號(hào)檢波后輸出最大;而反相時(shí)為負(fù)最大;相差900或2700時(shí)為零。 相敬檢波器的原理比較簡(jiǎn)單，它的輸出信號(hào)是輸入信號(hào)與參考信號(hào)的乘積。叭兀耳：叫二 Sost + &） + 爲(wèi)s（耳 f + 卩）娛二） % %式中:為被測(cè)信號(hào)頻率；為隨機(jī)噪聲頻率。通過(guò)PSD后，輸出巧二二扌禺EQ。話寺冋我）+*空®阪-g+切+£恥宓+ %力+切加低通濾波器，其輸出/Sg爲(wèi)ERCosd + 土 E屁如血-%+國(guó)|_兔若大于低通濾波器截止帶寬，后一項(xiàng)不通過(guò)低通濾波器輸出；反之輸岀。實(shí) 際電路中，常采用的方波作參考信號(hào)，設(shè)，則參考信號(hào)的

6、傅立葉級(jí)數(shù)表示為：4 4 j禺- W 1: 13T»-o 2" +1式中為方波的基波頻率。殲=耳戲>2（叭+例）若信號(hào)為：，則= = 2（2；：；產(chǎn)坯屁一+購(gòu)2 * +如927-弓（2；十1加5就呵+也+1）呵卄勿經(jīng)LPF的濾波作用，n”的差頻項(xiàng)及所有的和頻項(xiàng)均被濾除，只剩下n二1的差 頻項(xiàng)為:Cose最終將輸出信號(hào)作為積分時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)的積分器的輸入，完成互相關(guān)函數(shù)的求 解。實(shí)驗(yàn)步驟1 按下圖所示用電纜連接。換禺計(jì)帝號(hào)稀入(2) 接通電源后要預(yù)熱二分鐘，調(diào)節(jié)旋鈕，使多功能信號(hào)源輸出頻率為1kHz的 正弦波左右。(注意接線時(shí)盡量簡(jiǎn)潔，以免加大噪聲影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果)。(4)調(diào)節(jié)

7、相關(guān)器直流放大倍數(shù)X10,交流放大倍數(shù)XI。用示波器觀察PSD的輸 出波形，并用交流、直流噪聲電壓表測(cè)量相關(guān)器的輸出直流電壓，相關(guān)器低通濾波 器的時(shí)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)(注意在調(diào)節(jié)相位時(shí)，山于相位顯示比較不穩(wěn)定，故需耐心調(diào)節(jié)。)2VKKV, cosOACDCA, (5)把實(shí)測(cè)結(jié)果與理論公式相對(duì)比。其中V。一一相關(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);V,A輸入信號(hào)的幅值;為參考信號(hào)與輸入信號(hào)之間的相位差。2、相關(guān)器諧 波響應(yīng)的測(cè)量與觀察(1)多功能信號(hào)源功能“選擇”置分頻。曲于相關(guān)器的參考信號(hào)為輸入信號(hào)的 ln分頻，即

8、相關(guān)器的輸入信號(hào)為參考信號(hào)的n次頻，其它連接與測(cè)量方法同實(shí)驗(yàn)1。(2)先置分頻數(shù)為1,山示波器觀察PSD波形及測(cè)量PSD輸出直流電壓，調(diào)節(jié)相移器， 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，相位訃測(cè)量的相位 差為Oo。記下上述數(shù)據(jù)。(3) 改變分?jǐn)?shù)n為1, 2, 3,”，對(duì)于某一 “n”值測(cè)量重復(fù)上述測(cè)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、相關(guān)器的PSD波形觀察及輸出電壓測(cè)量()角度度電壓(伏特)0 -1. 02630 -0.91260 -0. 56990 -0. 0064120 0. 47150 0. 83240 0. 513360 -1. 027懸形展示2V J;? tV/ A、kA v kw

9、Vi丿丿丿丿丿、實(shí)驗(yàn)所得到的各個(gè)相位所對(duì)應(yīng)的電壓與帶入公式所得的結(jié)果大致相同，90度時(shí) 大致為0。2、相關(guān)器諧波響應(yīng)的測(cè)量與觀察分頻倍數(shù)電壓1 -1. 022v2 -32. 6mv3 -0. 367v4 -38. 4mv5 -0. 233v6 -39. 3mv7 0. 132v8 -40. 9mv9 0. 127v10 -40. 2mv11 -o. 103v12 -40. 9mv13 0. 103v14 -42. 9mv15 -96. 3mv 些波形展示:n二1(2) n=2(3) n=4(4) n=8實(shí)驗(yàn)結(jié)果:奇次諧波輸出的直流響應(yīng)電壓為約為基波的直流響應(yīng)電壓的ln,偶 次諧波的輸出直流響應(yīng)約為Oo實(shí)驗(yàn)總結(jié)：通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)及在斯老師的指導(dǎo)