鎖相放大器的工作原理講課講稿

1、鎖相放大器的工作原理微弱光信號檢測系統(tǒng) 在光度量的測量中，常常遇到待測信號被噪聲淹沒的情況。例如，對于空間物體的檢測，常常伴隨著強烈的背景輻射；在光譜測量中，特別是吸收光譜的弱譜線更是容易被環(huán)境輻射或檢測器件的內部噪聲所淹沒；即使是對較強的光信號，為提高信號的抗干擾能力，實現(xiàn)精確的檢測，也都需要有從噪聲中提取、恢復和增強被測信號的技術措施。因此無論是從工程應用方面還是從信號變換技巧方面，微弱光信號的檢測都是很重要的。常用的弱光信號檢測技術:(1) 鎖相放大器(2) 取樣積分器(3) 光子計數(shù)器(1) 鎖相放大器在弱光檢測中的應用鎖相放大器在弱光檢測中的應用通常的噪聲在時間和幅度變化上都是隨機發(fā)

2、生的，分布在很寬的頻譜范圍內。它們大部分和有用信號頻譜不重疊，也沒有同步關系。因此降低噪聲、改善信噪比的方法之一是壓縮檢測通道的帶寬，使之僅能覆蓋住信號的頻譜，此時噪聲的輸出將會明顯降低。但這并不表明簡單地用窄帶濾波的方法就能夠消除噪聲。實際上由于帶通濾波器的頻率穩(wěn)定性的限制，單純用壓縮帶寬來抑制噪聲是有限度的。因此，對微弱信號的接收常采用具有窄帶濾波能力的鎖相放大器。鎖相放大器鎖相放大器 鎖相放大器是一種通用的對交變信號進行相敏檢波的放大器。鎖相放大器是一種通用的對交變信號進行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和鎖相關系的參考信號作為比較基準，只對被它利用和被測信號有相同頻率和鎖相

3、關系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（或倍頻）、同相的噪聲分量有響應。測信號本身和那些與參考信號同頻（或倍頻）、同相的噪聲分量有響應。因此能大幅度抑制無用噪聲，提高檢測靈敏度和信噪比，它是弱信號檢測的因此能大幅度抑制無用噪聲，提高檢測靈敏度和信噪比，它是弱信號檢測的一種有效儀器。一種有效儀器。鎖相放大器的基本組成鎖相放大器的基本組成:信號通道信號通道;參考通道參考通道;相敏檢波器相敏檢波器(核心部件核心部件)。 它由混頻乘法器和低通濾波器組成。它由混頻乘法器和低通濾波器組成。它的工作原理它的工作原理:輸入信號在相敏檢波器中與參考信號混頻，經(jīng)低通濾波輸入信號在相敏檢波

4、器中與參考信號混頻，經(jīng)低通濾波器后得到與輸入信號幅值成比例的直流輸出分量。器后得到與輸入信號幅值成比例的直流輸出分量。 選頻鎖相環(huán)移相器輸入信號AC參考信號AC信號通道相敏檢波輸出信號DC前放混頻乘法器低通濾波器鎖相放大器的組成方框圖參考通道設乘法器的輸入信號Us和參考信號Ur分別為:UsUsmcos(0+)t+ UrUrmcos0t則輸出信號UoUsUr(UsmUrm/2)cos(t+ )+cos(20+)t+ 其中是Us和Ur的頻率差， 為相位差。由上式可見，通過輸入信號和參考信號的相乘運算后輸出信號的頻譜由0變換到差頻與和頻20的頻段上。利用低通濾波器濾除和頻信號后得到窄帶的差頻信號。這

5、時輸出信號Uo(UsmUrm/2)cos(t+ )鎖相放大器的工作原理鎖相放大器的工作原理:上式表明:(a)在輸入信號中只有那些與參考信號同頻率的分量才使頻差為零，得到直流的輸出信號，因此這種方法最適合于調幅信號的檢測。(b) 輸出信號幅度還取決于輸入信號和參考信號間的相位差。只有 0時，才有最大的信號輸出，而 /2時，輸出信號為零。也就是說，在輸入信號中只有被測信號本身由于和參考信號有同頻同相關系而能得到最大的直流輸出。其它的噪聲和干擾信號或者由于頻率不同，造成0的交流分量，被后接的低通濾波器濾除；或者由于相位不同而被相敏檢波截止。當然，那些與參考信號同頻同相的噪聲分量也能夠得到部分輸出并與

6、被測信號相疊加，但這些終歸只占白噪聲的極小部分。因此鎖相放大能以極高的信噪比由噪聲中提取出有用信號來。相敏檢波器有模擬乘法器式和電子開關式，其中電子開關式相敏檢相敏檢波器有模擬乘法器式和電子開關式，其中電子開關式相敏檢波波器由器由于受到參考信號幅度波動的影響較小，所以得到更廣泛的應用。于受到參考信號幅度波動的影響較小，所以得到更廣泛的應用。電子開關式相敏檢電子開關式相敏檢波波器的輸出等效為被測信號與幅度為器的輸出等效為被測信號與幅度為1、占空比為、占空比為50的方波信號的乘積。的方波信號的乘積。參考信號常采用間隔相等的雙極性方波信號，中心頻率鎖定在被測信號頻率上。這種相敏檢波器也稱開關混頻器。

7、這個開關電路輸出信號的極性是由輸入信號和參考信號間的相位決定的。當Us和Ur同相或反相時，輸出信號是正或負的脈動直流電壓；當Us和Ur是正交時即90時，輸出信號Uo為零。類似的開關電路可用場效應管或集成開關電路實現(xiàn)。為了保證被測信號和參考信號的同頻同相，在被測信號的頻率和相位事先不確定的情況下通常采用頻率跟蹤和相位鎖定技術；但更多的作法是利用參考信號對被測信號進行斬波或調制，使被測信號和參考信號同步變化。這樣，由于鎖相放大器的同步檢相作用，只允許和參考信號同頻同相的信號通過，所以它本身就是一個帶通濾波器。它的Q值可達108，通頻帶寬可達0.01Hz，因此，鎖相放大器有良好的改善信噪比的能力。0

8、( )cos()x tVt1014( 1)( )cos(21)21nnr tntn根據(jù)傅立葉變換，參考信號根據(jù)傅立葉變換，參考信號r(t)可用三角函數(shù)的形式表示?？捎萌呛瘮?shù)的形式表示。設輸入信號為：設輸入信號為：( )x t1001( )( )( )4(1)cos()cos(21)21pnnutx tr tVtntn1100112( 1)2( 1)cos(22)cos22121nnnnVVntntnn式右邊的第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過低通濾波器（式右邊的第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過低通濾波器（LPF），所），所有的和頻項與的差頻項都被慮除，最后濾波器的輸出為：有的和頻項與的

9、差頻項都被慮除，最后濾波器的輸出為： r(t)與與 相乘的結果為：相乘的結果為：2( )cos( )oVu t說明被測信號通過相敏檢測器說明被測信號通過相敏檢測器(PSD)和低通濾波器和低通濾波器(LPF)后，輸出正比于被測信號后，輸出正比于被測信號的幅度、同時正比于參考信號與被測信號的相位差的余弦函數(shù)，同相位時，輸出最的幅度、同時正比于參考信號與被測信號的相位差的余弦函數(shù)，同相位時，輸出最大，從而實現(xiàn)鑒幅和鑒相。大，從而實現(xiàn)鑒幅和鑒相。 用一已知F0頻率的信號與被檢信號相乘, 低通濾波后得ACOSQ;用已知F0頻率相位差90度的信號與被檢信號相乘,低通濾波后得ASINQ; 平方和再開平方,得

10、A.如已知F0頻率的信號幅值為B,則得被測信號幅值C=A/B.說明說明:適合于鎖相放大器檢測的信號應該是單頻率的，或者說傳導頻譜所占寬度是較窄適合于鎖相放大器檢測的信號應該是單頻率的，或者說傳導頻譜所占寬度是較窄的，也就是要求信號所攜帶的檢測量的，也就是要求信號所攜帶的檢測量(信息信息)的變化是很緩慢的，否則檢出的信息就的變化是很緩慢的，否則檢出的信息就會因丟失高額分量而畸變。會因丟失高額分量而畸變。用鎖相放大器測量弱光電信號包括下列幾個基本步驟：用鎖相放大器測量弱光電信號包括下列幾個基本步驟：1）通過調制或斬光，將被測光信號由零頻范圍轉移到設定的高頻范圍內，）通過調制或斬光，將被測光信號由零

11、頻范圍轉移到設定的高頻范圍內， 使檢測系統(tǒng)變?yōu)榻涣飨到y(tǒng)。使檢測系統(tǒng)變?yōu)榻涣飨到y(tǒng)。2）用低噪聲光電檢測器將光信號轉換成電信號，用鎖相放大器在調制頻率）用低噪聲光電檢測器將光信號轉換成電信號，用鎖相放大器在調制頻率上對有用電信號進行選頻放大。上對有用電信號進行選頻放大。3）在相敏檢波器中對信號解調，同步解調作用截斷了非同步噪聲信號，使）在相敏檢波器中對信號解調，同步解調作用截斷了非同步噪聲信號，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內。輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內。4）通過低通濾波器對檢波信號進行低通濾波，獲得被放大的光電信號。）通過低通濾波器對檢波信號進行低通濾波，獲得被放大的光電信號。采用鎖相放

12、大器檢測處理光電信號具有下列特點：采用鎖相放大器檢測處理光電信號具有下列特點：1）要求對入射光束進行斬光或光源調制，適用于調幅光信號的檢測。）要求對入射光束進行斬光或光源調制，適用于調幅光信號的檢測。2）鎖相放大器是極窄帶高增益放大器，增益可高達）鎖相放大器是極窄帶高增益放大器，增益可高達1011（220dB），濾），濾波器帶寬可窄到波器帶寬可窄到0.0004Hz，品質因數(shù)，品質因數(shù)Q值達值達108或更大?；蚋?。3）鎖相放大器是交流信號）鎖相放大器是交流信號/直流信號變換器。相敏輸出正比于輸入信號的直流信號變換器。相敏輸出正比于輸入信號的幅度及其與參考電壓的相位差。幅度及其與參考電壓的相位差

13、。4）可以補償背景輻射噪聲和前置放大器的固有噪聲，信噪比改善可達）可以補償背景輻射噪聲和前置放大器的固有噪聲，信噪比改善可達1000倍。倍。取樣積分器取樣積分器取樣積分法取樣積分法(Boxcar方法方法) 1 工作原理工作原理 一個周期性的十分微弱的信號一個周期性的十分微弱的信號被背景噪聲所掩埋，如何從背被背景噪聲所掩埋，如何從背景噪聲中檢出這周期性的信號景噪聲中檢出這周期性的信號呢？呢？ 如圖所示，是被噪聲所淹沒了如圖所示，是被噪聲所淹沒了的周期信號。的周期信號。 lBoxcar：形象地描述了取樣積分法，：形象地描述了取樣積分法，l取樣積分又稱為取樣積分又稱為Boxcar方法方法 取樣積分法

14、工作的前提：取樣積分法工作的前提：1.微弱周期信號的周期是已知的微弱周期信號的周期是已知的； 這種信號一般是在主動測量中，源發(fā)出的周期性信號這種信號一般是在主動測量中，源發(fā)出的周期性信號與被測物體作用后產(chǎn)生的。與被測物體作用后產(chǎn)生的。2.被檢測的微弱信號的周期和源發(fā)出的周期性信號的周期被檢測的微弱信號的周期和源發(fā)出的周期性信號的周期存在一定的關系存在一定的關系。 相等，或者存在某種函數(shù)關系。相等，或者存在某種函數(shù)關系。 取樣積分的思路及原理取樣積分的思路及原理取樣門 如果我們能夠如果我們能夠很準確地對準周期信號的某一點很準確地對準周期信號的某一點（如（如圖），在每個周期的這一時刻，都對信號進行

15、取樣，圖），在每個周期的這一時刻，都對信號進行取樣，并把取樣值保存在積分器中；并把取樣值保存在積分器中； 經(jīng)過次取樣后，經(jīng)過次取樣后，如同同步累積法一樣如同同步累積法一樣，信號得到了，信號得到了增強，而噪聲由于隨機性，相互抵消了一部分增強，而噪聲由于隨機性，相互抵消了一部分, ,所以所以信號在噪聲中顯現(xiàn)出來。信號在噪聲中顯現(xiàn)出來。 如果對周期信號的每一點都這樣處理，那就有可能將如果對周期信號的每一點都這樣處理，那就有可能將被噪聲淹沒的被噪聲淹沒的信號恢復波形信號恢復波形。 取樣積分的思路取樣積分的思路 Boxcar法法原理框圖原理框圖 :l上面講的這種取樣積分法，上面講的這種取樣積分法，只能恢

16、復周期性信號某一點只能恢復周期性信號某一點的幅值的幅值，故稱為，故稱為定點式取樣工作模式定點式取樣工作模式。定點式定點式 周期信號波形的恢復周期信號波形的恢復必須在定點取樣積分器的基礎上，必須在定點取樣積分器的基礎上，對周期信號的一周期內對周期信號的一周期內的各點進行掃描的各點進行掃描，把周期信號每一點的幅值都恢復出來，把周期信號每一點的幅值都恢復出來，這就必須采取這就必須采取掃描工作方式掃描工作方式。 取樣積分器分類：取樣積分器分類： )( )( )( 實時取樣多點信號平均器單點信號平均器掃描工作模式定點工作模式單點取樣積分器變換取樣2 取樣積分器與同步累積的異同點取樣積分器與同步累積的異同

17、點 取樣積分分為兩種：取樣積分分為兩種：單點取樣積分單點取樣積分：只是對信號的某一點進行同步累積，從而：只是對信號的某一點進行同步累積，從而加強信號而噪聲相互消除，這稱為單點取樣積分；加強信號而噪聲相互消除，這稱為單點取樣積分；多點取樣積分器多點取樣積分器，多點取樣積分則可恢復原微弱信號的的，多點取樣積分則可恢復原微弱信號的的波形。波形。 同步累積法同步累積法只是使信號同相地累積起來只是使信號同相地累積起來，同步積分器，同步積分器是是在信號持續(xù)的半個周期內對信號進行積分。在信號持續(xù)的半個周期內對信號進行積分。 取樣積分器是取樣積分器是對周期信號的某一點取樣并累積對周期信號的某一點取樣并累積。

18、3 取樣積分器信噪比改善取樣積分器信噪比改善 輸入端信噪比輸入端信噪比： 輸出端經(jīng)過輸出端經(jīng)過m次取樣并積分后，得到的次取樣并積分后，得到的信號信號是是Vs0=mVsi。而。而噪聲噪聲是隨機的，且其均值為零，經(jīng)過是隨機的，且其均值為零，經(jīng)過m次取樣并積分后，得到的是次取樣并積分后，得到的是m次功率相加次功率相加，即：即：因此，輸出端信噪比是：因此，輸出端信噪比是：22nisinisiVVPP220ninVmVnisinisinisinsnsPPmVVmVmVmVVPP22222202000門積分電路門積分電路 在普通的在普通的RC積分電路中增加一個取樣門積分電路中增加一個取樣門，變成門積分電路

19、，變成門積分電路就構成了基本的取樣積分器。就構成了基本的取樣積分器。121( )sincos/RngRs tnntnTT一個取樣積一個取樣積門積分電路的充電過程門積分電路的充電過程 取樣積分取樣積分M次后，次后，電容器電容器C兩端的電壓兩端的電壓Vc上升到上升到0.63Vin，則，則對輸入電壓的積分時間為對輸入電壓的積分時間為CgTMTRC 考慮到門積分電路徑相鄰兩次有效積分之間的等待時間，取考慮到門積分電路徑相鄰兩次有效積分之間的等待時間，取樣積分樣積分M次后，取樣積分器輸出達到輸入的次后，取樣積分器輸出達到輸入的0.63，總時間為，總時間為 對對S/N實際起作用的是在兩倍觀察時間常量之內實

20、際起作用的是在兩倍觀察時間常量之內。ORRgRCRCTMTTT掃描取樣積分器掃描取樣積分器 在定點取樣積分的基礎上，在定點取樣積分的基礎上，順序改變取樣點的位置順序改變取樣點的位置，就得，就得到以掃描方式工作的取樣積分器。如圖所示：到以掃描方式工作的取樣積分器。如圖所示： l當取樣脈沖對準當取樣脈沖對準t1位置取樣積分位置取樣積分m次后，將取樣脈沖在時間次后，將取樣脈沖在時間軸上向右移動軸上向右移動t（一般來說（一般來說tTg）對準）對準t2位置再取樣位置再取樣m次，次，然后又向右移動然后又向右移動t，對準，對準t3取樣積分取樣積分m次次直到取樣脈沖直到取樣脈沖移動掃過信號的一個完整的周期。移

21、動掃過信號的一個完整的周期。掃描式取掃描式取掃描式取掃描式取掃描式取掃描式取掃描式取掃描式取由于慢掃描電壓相對于時基電壓變化十分緩慢，因而取樣脈沖相對于由于慢掃描電壓相對于時基電壓變化十分緩慢，因而取樣脈沖相對于觸發(fā)脈沖的移動也是十分緩慢的，以至在輸入的被測信號波形上每一觸發(fā)脈沖的移動也是十分緩慢的，以至在輸入的被測信號波形上每一“點點”依次可以掠過多個門寬的取樣脈沖，從而對波形每個取樣依次可以掠過多個門寬的取樣脈沖，從而對波形每個取樣“點點”進行多次積累平均。進行多次積累平均。 若若Tg /t=ns，即當移動，即當移動ns次后，正好是一個門寬次后，正好是一個門寬Tg的間的間隔，那么可以證明，

22、隔，那么可以證明，在線性累積掃描工作方式的取樣在線性累積掃描工作方式的取樣積分器積分器中，中，ns是用來計算信噪比改善的測量次數(shù)，即：是用來計算信噪比改善的測量次數(shù)，即： 實際上這里的實際上這里的ns即前述的即前述的m，對準某一點取樣的，對準某一點取樣的m次，次，是通過重迭掃描來實現(xiàn)的。是通過重迭掃描來實現(xiàn)的。 snSNIR 設被恢復的弱信號之周期為設被恢復的弱信號之周期為T，取樣脈沖步進時間為，取樣脈沖步進時間為t，要對弱信號一個周期取樣完畢，而每個周期又只取樣一次，要對弱信號一個周期取樣完畢，而每個周期又只取樣一次，故所需時間為：故所需時間為： 因此在積分器輸出端得到的輸出波形是將原被測信

23、號拉長因此在積分器輸出端得到的輸出波形是將原被測信號拉長了了ni倍的波形倍的波形; 因此這種取樣方式又稱之為變換取樣，波形如圖因此這種取樣方式又稱之為變換取樣，波形如圖: TnTtTi 注意注意為了使被恢復的信號波形不產(chǎn)生失真，為了使被恢復的信號波形不產(chǎn)生失真，要根據(jù)信號所要根據(jù)信號所包含的最高頻率包含的最高頻率fmax來確定取樣脈沖的寬度來確定取樣脈沖的寬度Tg。多點信號平均器多點信號平均器 掃描取樣積分器在信號重復出現(xiàn)的一個周期內只對信號取樣掃描取樣積分器在信號重復出現(xiàn)的一個周期內只對信號取樣一次，一次，niT的時間取出一個周期的完整。的時間取出一個周期的完整。掃描取樣積分器在掃描取樣積分器在時間上的利用