微弱信號(hào)檢測(cè) 第二章

1、微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)第二章第二章 同步相干檢測(cè)同步相干檢測(cè) - -鎖定放大器鎖定放大器2-1 2-1 鎖定放大器的基本概念鎖定放大器的基本概念 對(duì)于幅度較小的直流信號(hào)或慢變信號(hào)對(duì)于幅度較小的直流信號(hào)或慢變信號(hào), ,為防止為防止1/f1/f噪噪聲和直流漂移的影響聲和直流漂移的影響, ,常是使用調(diào)制器或斬波器將其變常是使用調(diào)制器或斬波器將其變換成交流信號(hào)后換成交流信號(hào)后, ,再進(jìn)行放大和處理，用帶通濾波器抑再進(jìn)行放大和處理，用帶通濾波器抑制寬噪聲，提高信噪比，之后再進(jìn)行解調(diào)和低通濾波，制寬噪聲，提高信噪比，之后再進(jìn)行解調(diào)和低通濾波，以得到放大的被測(cè)信號(hào)。以得到放大的被測(cè)信號(hào)。 為提高信噪比，常用

2、為提高信噪比，常用Q值非常高的帶通濾波器，而值非常高的帶通濾波器，而Q值太高會(huì)使其不穩(wěn)定，易受溫度、電源電壓等波動(dòng)使其值太高會(huì)使其不穩(wěn)定，易受溫度、電源電壓等波動(dòng)使其中心頻率發(fā)生變化，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定可靠工作。中心頻率發(fā)生變化，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定可靠工作。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)一、鎖定放大器中的頻譜遷移一、鎖定放大器中的頻譜遷移鎖定放大器抑制鎖定放大器抑制噪聲噪聲的基本出發(fā)點(diǎn)的基本出發(fā)點(diǎn)：(1)(1)用調(diào)制器將直流或慢變信號(hào)的頻譜遷移到調(diào)制用調(diào)制器將直流或慢變信號(hào)的頻譜遷移到調(diào)制頻率頻率0 0處，再進(jìn)行放大，以避開(kāi)處，再進(jìn)行放大，以避開(kāi)1/f1/f噪聲的不利噪聲的不利影響。影響。(2)(2)利用相敏

3、檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，可以同利用相敏檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，可以同時(shí)利用頻率時(shí)利用頻率0 0和相角和相角進(jìn)行檢測(cè)進(jìn)行檢測(cè)，噪聲與信號(hào)同，噪聲與信號(hào)同頻又同相的概率很低。頻又同相的概率很低。(3)(3)用低通濾波器而不是帶通濾波器來(lái)抑制寬帶噪用低通濾波器而不是帶通濾波器來(lái)抑制寬帶噪聲。低通濾波器的頻率可以做得很窄，而且其頻聲。低通濾波器的頻率可以做得很窄，而且其頻帶不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于帶通濾帶不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于帶通濾波器。波器。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)鎖定放大器對(duì)信號(hào)頻譜的遷移鎖定放大器對(duì)信號(hào)頻譜的遷移0S(w)w0w調(diào)制調(diào)制(a) (a) 調(diào)制過(guò)程：將低頻信調(diào)

4、制過(guò)程：將低頻信號(hào)乘以頻率頻率號(hào)乘以頻率頻率0 0的正弦的正弦波，從而使頻譜遷移到調(diào)波，從而使頻譜遷移到調(diào)制頻率制頻率0的兩邊的兩邊。(b) (b) 信號(hào)放大：采用交流信號(hào)放大：采用交流選頻放大，可避免把選頻放大，可避免把1/f1/f噪聲和低頻漂移也放大。噪聲和低頻漂移也放大。S(w)0w0w放大放大0S(w)w0wPSD(c) (c) 信號(hào)解調(diào)：用相敏檢信號(hào)解調(diào)：用相敏檢測(cè)器測(cè)器(PSD)(PSD)將頻譜回遷到將頻譜回遷到直流直流( (=0)=0)的兩邊的兩邊, ,再用再用窄帶低通濾波器濾除噪聲窄帶低通濾波器濾除噪聲, ,得高信噪比的放大信號(hào)。得高信噪比的放大信號(hào)。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)一、

5、鎖定放大器的工作原理一、鎖定放大器的工作原理鎖定放大器的基本結(jié)構(gòu)示意圖鎖定放大器的基本結(jié)構(gòu)示意圖信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)通道信號(hào)通道PSDLPF參考通道參考通道參考輸入?yún)⒖驾斎離(t)r(t)up(t)uo(t)信號(hào)通道信號(hào)通道 對(duì)調(diào)制的信號(hào)對(duì)調(diào)制的信號(hào)( (正弦或方波正弦或方波) )輸入進(jìn)行交流放大輸入進(jìn)行交流放大到足于推動(dòng)到足于推動(dòng)PSDPSD工作的電平工作的電平, ,并要濾除部分干擾并要濾除部分干擾和噪聲和噪聲, ,同時(shí)為找到最佳輸入阻抗匹配。同時(shí)為找到最佳輸入阻抗匹配。參考通道參考通道 對(duì)參考輸入對(duì)參考輸入( (正弦或方波，可以是外部輸入的正弦或方波，可以是外部輸入的周期信號(hào)，也可就是進(jìn)行

6、調(diào)制的載波或用于斬周期信號(hào)，也可就是進(jìn)行調(diào)制的載波或用于斬波的信號(hào)波的信號(hào))進(jìn)行放大，滿足進(jìn)行放大，滿足PSDPSD工作的電平工作的電平, , 同同時(shí)對(duì)參考輸入進(jìn)行移相處理，以達(dá)到最佳檢測(cè)時(shí)對(duì)參考輸入進(jìn)行移相處理，以達(dá)到最佳檢測(cè)效果。效果。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)通道信號(hào)通道PSDLPF參考通道參考通道參考輸入?yún)⒖驾斎離(t)r(t)up(t)uo(t)相敏檢測(cè)相敏檢測(cè) 以參考信號(hào)為基準(zhǔn)，對(duì)輸入信號(hào)的幅值進(jìn)行放以參考信號(hào)為基準(zhǔn)，對(duì)輸入信號(hào)的幅值進(jìn)行放大，同時(shí)對(duì)其幅值和相位進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)前面大，同時(shí)對(duì)其幅值和相位進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)前面所述的頻譜遷移，將調(diào)制的有用信號(hào)的頻譜由所述的頻

7、譜遷移，將調(diào)制的有用信號(hào)的頻譜由=0 0處遷移回處遷移回=0=0處。處。低通濾波低通濾波 對(duì)對(duì)遷移回遷移回=0=0處的信號(hào)進(jìn)行低通濾波處的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，進(jìn)一步，進(jìn)一步濾除噪聲，輸出和有用信號(hào)的幅值和相位都敏濾除噪聲，輸出和有用信號(hào)的幅值和相位都敏感的放大信號(hào)。感的放大信號(hào)。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)實(shí)現(xiàn)其功能的集成電路有很實(shí)現(xiàn)其功能的集成電路有很多，如多，如MC1496MC1496、MC1596MC1596等等。2-2 2-2 相敏檢測(cè)相敏檢測(cè)常用相敏檢測(cè)器：常用相敏檢測(cè)器： 模擬乘法器式和電子開(kāi)關(guān)式模擬乘法器式和電子開(kāi)關(guān)式實(shí)際上相當(dāng)于參考信號(hào)為方波情況下的模擬乘法器實(shí)際上相當(dāng)于參考信號(hào)為方波

8、情況下的模擬乘法器一、模擬乘法器型相敏檢測(cè)器一、模擬乘法器型相敏檢測(cè)器其要實(shí)現(xiàn)其要實(shí)現(xiàn): :)()()(trtxtup(一一) x(t)為正弦波含單頻噪聲和為正弦波含單頻噪聲和r(t) 為正弦波為正弦波設(shè)設(shè): :tVtVtx0n0S)(cos)cos()()cos()(tVtr0r得得: :)cos(.cos.)(t2VV50VV50tu0rSrSp)cos(.)cos(.tt2VV50tVV500rnrn微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)經(jīng)經(jīng)LPFLPF濾波后濾波后 當(dāng)當(dāng)T T，則輸出信號(hào)正比于輸入信號(hào)幅，則輸出信號(hào)正比于輸入信號(hào)幅值和相差余弦。值和相差余弦。當(dāng)當(dāng)00T T，則輸出信號(hào)中有噪聲信號(hào)分，則

9、輸出信號(hào)中有噪聲信號(hào)分量存在。量存在。cos.)(rSoVV50tu因而因而LPFLPF的帶寬可設(shè)計(jì)的很窄，提高信噪比。的帶寬可設(shè)計(jì)的很窄，提高信噪比。)cos(.cos.)(t2VV50VV50tu0rSrSp)cos(.)cos(.tt2VV50tVV500rnrn)cos(.cos.)(tVV50VV50turnrS0當(dāng)設(shè)定當(dāng)設(shè)定=0=0或或180180，則有用信號(hào)放大明顯。，則有用信號(hào)放大明顯。(二二) x(t)為正弦波含窄帶噪聲和為正弦波含窄帶噪聲和r(t) 為正弦波為正弦波設(shè)設(shè): :)()cos()(tntVtx0S)cos()(tVtr0r由窄帶噪聲定義有由窄帶噪聲定義有: :t

10、tnttntnnSnCsin)(cos)()( n nc c(t)(t)和和n ns s(t)(t)是兩個(gè)獨(dú)立的低頻平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，是兩個(gè)獨(dú)立的低頻平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，其均值為零，幅度為高斯型，功率密度在其均值為零，幅度為高斯型，功率密度在-B/2-B/2和和B/2B/2范范圍內(nèi)恒定為圍內(nèi)恒定為N N0 0/2/2。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)經(jīng)經(jīng)LPFLPF濾波后濾波后)cos(.cos.)(t2VV50VV50tu0rSrSptVtn50tVtn500nrC0nrC)cos()(.)cos()(.tVtn50VV50tu0nrCrS0)cos()(.cos.)(則乘法器輸出則乘法器輸出tVtn50tVt

11、n500nrS0nrS)sin()(.)sin()(.tVtn500nrS)sin()(. 當(dāng)當(dāng)n n與與0 0不十分靠近，不十分靠近，LPFLPF的等效噪聲帶寬足夠的等效噪聲帶寬足夠窄，就可使后兩項(xiàng)的功率大為衰減。窄，就可使后兩項(xiàng)的功率大為衰減。 當(dāng)當(dāng)n n-0 000時(shí)，時(shí)，sin(sin(n n-0 0 )t0,)t0,故噪聲輸出故噪聲輸出僅有第二項(xiàng)。僅有第二項(xiàng)。 在鎖定放大器中在鎖定放大器中, ,輸入信號(hào)一般采用交流選頻放大器輸入信號(hào)一般采用交流選頻放大器進(jìn)行放大進(jìn)行放大. .故電路中產(chǎn)生的白噪聲經(jīng)選頻濾波后故電路中產(chǎn)生的白噪聲經(jīng)選頻濾波后, ,就變成了就變成了中心頻率和選頻網(wǎng)路中心頻

12、率相同的窄帶噪聲。中心頻率和選頻網(wǎng)路中心頻率相同的窄帶噪聲。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)鎖定放大器的信噪比改善情況鎖定放大器的信噪比改善情況 設(shè)選頻放大器的帶寬為設(shè)選頻放大器的帶寬為B Bi i, ,則窄帶噪聲的帶寬也為則窄帶噪聲的帶寬也為B Bi i, ,功率密度為功率密度為N N0 0/2/2。則輸入噪聲功率：則輸入噪聲功率：0inniNB0RP)( 輸入信號(hào)功率：輸入信號(hào)功率：2VP2Ssi/ 輸入信噪比：輸入信噪比：i02SPiBN2VSNR/經(jīng)鎖定放大器后輸出信號(hào)功率經(jīng)鎖定放大器后輸出信號(hào)功率(=0)=0)：8VVP2r2Sso/輸出噪聲功率：輸出噪聲功率：8VtnP2r2cno/)()(

13、tn2c 為為n nc c(t(t) )的均方值的均方值, ,也就是其功率也就是其功率, ,如相敏檢如相敏檢測(cè)器的等效噪聲帶寬為測(cè)器的等效噪聲帶寬為B Be e。則有：則有：e0n2cBN)0(R(t)nC 則輸出信噪比：則輸出信噪比：eo/BNVSNR02SP微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)信噪比改善信噪比改善當(dāng)當(dāng)LPFLPF為一階為一階RCRC低通濾波器時(shí)，低通濾波器時(shí)，B Be e=1/(2RC)=1/(2RC)eipiPoBB2/SNRSNRSNIR/相敏檢測(cè)器的等效噪聲帶寬取決于相敏檢測(cè)器的等效噪聲帶寬取決于LPFLPF的帶寬，它可以的帶寬，它可以做得很窄。而選頻放大器的帶寬不可能做得很窄，故

14、具做得很窄。而選頻放大器的帶寬不可能做得很窄，故具有良好的抑制作用。有良好的抑制作用。即使在即使在B Bi i=B=Be e的情況下，相敏檢測(cè)器的相敏特性也對(duì)不的情況下，相敏檢測(cè)器的相敏特性也對(duì)不同相位的噪聲有一定的抑制作用。同相位的噪聲有一定的抑制作用。實(shí)際中實(shí)際中B Bi i不能做得很大，否則當(dāng)輸入噪聲太大時(shí)，模擬不能做得很大，否則當(dāng)輸入噪聲太大時(shí)，模擬乘法器有可能進(jìn)入非線性區(qū)。乘法器有可能進(jìn)入非線性區(qū)。則有則有iRCB4SNIR微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(三三) x(t)為正弦波含噪聲和為正弦波含噪聲和r(t) 為方波為方波設(shè)設(shè): :)()cos()(tntVtx0St1n21n21V4tr

15、01n1nr)cos()(則有則有)cos()(t2n21n21VV2tu01n1nrSp)cos(tn21n21VV201n1nrSt1n21n21V4tn01n1nr)cos()(微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)經(jīng)經(jīng)LPFLPF后，和頻項(xiàng)定能可濾除，第三項(xiàng)比較復(fù)雜。后，和頻項(xiàng)定能可濾除，第三項(xiàng)比較復(fù)雜。如如n(tn(t) )為單頻噪聲為單頻噪聲(n n),),那只有那只有|n n-0 0|LPF|LPF的等效的等效噪聲帶寬的噪聲才有輸出。噪聲帶寬的噪聲才有輸出。如如n(tn(t) )為寬帶噪聲為寬帶噪聲, ,設(shè)為設(shè)為V Vn ncoscos(n nt+t+),),則噪聲項(xiàng)為則噪聲項(xiàng)為: :)(cos

16、t1n21n21VV20n1n1nrnt1n21n21V4tVtu01n1nrnnan)cos()cos()()(cost1n21n21VV20n1n1nrn 噪聲與參考信號(hào)的和頻項(xiàng)可由噪聲與參考信號(hào)的和頻項(xiàng)可由LPFLPF濾除，噪聲分量濾除，噪聲分量不僅在不僅在=0 0，且在，且在n n=(2n-1)=(2n-1)0 0第附近出現(xiàn)，幅度按第附近出現(xiàn)，幅度按1/(2n-1)1/(2n-1)下降。下降。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(四四) x(t)為和為和r(t)均為方波均為方波t1n21n21V4tr01n1nr)cos()()cos()(t1n21n21V4tx01n1nS圖解得：圖解得：x(t)

17、VSt-VSr(t)Vrt-Vrup(t)t-VSVrVSVruo(t) 隨著隨著的變化，的變化，u up p(t)(t)的占空的占空比隨之線性變化，而比隨之線性變化，而u up p(t)(t)的平均值的平均值正比于占空比，如用積分器作為正比于占空比，如用積分器作為L(zhǎng)FPLFP，則相敏檢測(cè)器的輸出則相敏檢測(cè)器的輸出u uo o(t(t) )也與也與成成正比。正比。)(tu0021VVrS),(232VVrS ),(u0()-VSVrVSVruo(t)02微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)二、電子開(kāi)關(guān)型相敏檢測(cè)器二、電子開(kāi)關(guān)型相敏檢測(cè)器 模擬乘法器型相敏檢測(cè)器的輸出信號(hào)正比于參考信號(hào)模擬乘法器型相敏檢測(cè)器的

18、輸出信號(hào)正比于參考信號(hào)的幅度，為保證輸出信號(hào)的精度，必須保證參考信號(hào)的幅的幅度，為保證輸出信號(hào)的精度，必須保證參考信號(hào)的幅度具有更高的精度，在實(shí)際中有一定的困難，此外模擬乘度具有更高的精度，在實(shí)際中有一定的困難，此外模擬乘法器均有一定的非線性，故輸出信號(hào)中還有法器均有一定的非線性，故輸出信號(hào)中還有x x2 2(t)r(t)(t)r(t)，x x3 3(t)r(t)(t)r(t)等項(xiàng)，這會(huì)導(dǎo)致較大的輸出誤差。等項(xiàng)，這會(huì)導(dǎo)致較大的輸出誤差。開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器：開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器：相當(dāng)于參考信號(hào)幅度為相當(dāng)于參考信號(hào)幅度為1 1的方波時(shí)的方波時(shí)的模擬乘法器式相敏檢測(cè)器，當(dāng)?shù)哪M乘法器式相敏檢測(cè)器，當(dāng)r(t

19、r(t) )為為1 1時(shí)，電子開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電子開(kāi)關(guān)接通x(tx(t) )，當(dāng)，當(dāng)r(tr(t) )為為-1-1時(shí)，電子開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電子開(kāi)關(guān)接通-x(t-x(t) )，實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了了r(tr(t) )和和x(tx(t) )的相乘。的相乘。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：輸出信號(hào)幅度不受參考信號(hào)幅度的影響；輸出信號(hào)幅度不受參考信號(hào)幅度的影響；沒(méi)沒(méi)有非線性問(wèn)題；有非線性問(wèn)題；動(dòng)態(tài)范圍大，抗過(guò)載能力強(qiáng)；動(dòng)態(tài)范圍大，抗過(guò)載能力強(qiáng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快，成本低等。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快，成本低等。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(一一) 變壓器式電子開(kāi)關(guān)相敏檢測(cè)器變壓器式電子開(kāi)關(guān)相敏檢測(cè)器特點(diǎn)：特點(diǎn)：利用變壓器將被測(cè)信號(hào)變換成利用變壓器

20、將被測(cè)信號(hào)變換成+u+u和和-u-u兩部分；兩部分；參考信號(hào)參考信號(hào)r(tr(t) )經(jīng)過(guò)移相后，控制電子開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)移相后，控制電子開(kāi)關(guān)K K的的接通位置，根據(jù)其電平高低分別使接通位置，根據(jù)其電平高低分別使LPFLPF的輸入端的輸入端連接到連接到+u+u或或-u-u，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)x(t)x(t)和方波和方波r(tr(t) )的的相乘。相乘。x(t)upu-ur(t)移相K移相uo微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(二二) 運(yùn)放式電子開(kāi)關(guān)相敏檢測(cè)器運(yùn)放式電子開(kāi)關(guān)相敏檢測(cè)器特點(diǎn)：特點(diǎn)：利用反相和不反相放大器分別對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行利用反相和不反相放大器分別對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)均為放大，放大倍數(shù)均

21、為A A，從而得到，從而得到+Ax(t)+Ax(t)和和-Ax(t)-Ax(t)兩路信號(hào)。兩路信號(hào)。參考信號(hào)參考信號(hào)r(tr(t) )經(jīng)過(guò)移相后，控制電子開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)移相后，控制電子開(kāi)關(guān)K K的的接通位置，根據(jù)其電平高低分別使接通位置，根據(jù)其電平高低分別使LPFLPF的輸入端的輸入端連接到連接到+Ax(t)和和-Ax(t)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)x(t)x(t)和方和方波波r(tr(t) )的相乘。的相乘。x(t)upr(t)移相K移相uoA-A微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(三三) 電子開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器的相鑒特性電子開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器的相鑒特性設(shè)設(shè): :) t (n)tcos(V) t (x0S t)

22、 1n2cos(1n214) t ( r01n1n則有則有 t) 2n2cos(1n21V2) t (u01n1nSp )tn2cos(1n21V201n1nS t) 1n2cos(1n214) t (n01n1n微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè) 假設(shè)噪聲假設(shè)噪聲n n和被測(cè)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)o o相差很大，且相差很大，且n n大于大于1 1后的項(xiàng)經(jīng)后的項(xiàng)經(jīng)LPFLPF后，均可濾除。后，均可濾除。cosV2) t (uSo則有則有x(t)tr(t)tup(t)t(a)(a)=0=0000 x(t)tr(t)tup(t)t(b)(b)=90=90000 x(t)tr(t)tup(t)t(c)(c)=180=1

23、80000微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(四四) 開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器與全波整流的不同開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器與全波整流的不同由上可知當(dāng)由上可知當(dāng)=0時(shí)，相敏檢測(cè)器的功能類似于全波整流，時(shí)，相敏檢測(cè)器的功能類似于全波整流，似乎用全波整流也能實(shí)現(xiàn)解調(diào)作用。但全波整流只鑒幅不似乎用全波整流也能實(shí)現(xiàn)解調(diào)作用。但全波整流只鑒幅不鑒相，故抑制噪聲的能力不如相敏檢測(cè)器。且全波整流不鑒相，故抑制噪聲的能力不如相敏檢測(cè)器。且全波整流不管信號(hào)的相位，都把信號(hào)整流成大于零的單向信號(hào)。管信號(hào)的相位，都把信號(hào)整流成大于零的單向信號(hào)。t(a)(a)0 x(t)t(b)(b)0up(t)t(c)(c)0uo(t)up(t)t(d)(d)0u

24、o(t)微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(五五) 開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器實(shí)例開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器實(shí)例微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)2-3 2-3 鎖定放大器的組成與部件鎖定放大器的組成與部件一、鎖定放大器的基本組成一、鎖定放大器的基本組成信號(hào)信號(hào)濾波濾波參考參考r(t)x(t)uo(t)AacAacPSDLPFAdc濾波濾波移相移相方波驅(qū)動(dòng)方波驅(qū)動(dòng)參考通道參考通道信號(hào)通道信號(hào)通道(一一) 信號(hào)通道信號(hào)通道作用：作用：對(duì)輸入的幅度調(diào)制正弦信號(hào)進(jìn)行交流、濾波等處理。對(duì)輸入的幅度調(diào)制正弦信號(hào)進(jìn)行交流、濾波等處理。要求：要求：前置放大器必須具備低噪聲、高增益和動(dòng)態(tài)范圍前置放大器必須具備低噪聲、高增益和動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)。大等特點(diǎn)。

25、微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)前置放大器的等效噪聲要與信號(hào)源的輸出阻抗相前置放大器的等效噪聲要與信號(hào)源的輸出阻抗相匹配，共模抑制比要高。匹配，共模抑制比要高。信號(hào)通道中的濾波器通常為中心頻率為載波頻率信號(hào)通道中的濾波器通常為中心頻率為載波頻率0 0的帶通濾波器。的帶通濾波器。通常帶通濾通常帶通濾 波器由一低通濾波器和一高通濾波波器由一低通濾波器和一高通濾波器串聯(lián)而成，其轉(zhuǎn)折頻率器串聯(lián)而成，其轉(zhuǎn)折頻率fcL和和fcH均可調(diào)，且?guī)捑烧{(diào)，且?guī)挷荒芴?。不能太窄。為抑制為抑?0HZ50HZ工頻干擾，需在信號(hào)通道中設(shè)置中心工頻干擾，需在信號(hào)通道中設(shè)置中心頻率為頻率為50HZ50HZ的陷波器。的陷波器。信

26、號(hào)通道的增益應(yīng)可調(diào)，為不破壞系統(tǒng)的噪聲特信號(hào)通道的增益應(yīng)可調(diào)，為不破壞系統(tǒng)的噪聲特性，增益開(kāi)關(guān)設(shè)置在前置放大器后的某級(jí)電路中。性，增益開(kāi)關(guān)設(shè)置在前置放大器后的某級(jí)電路中。由于信號(hào)通道的總增益一般較大，為防止過(guò)載毀由于信號(hào)通道的總增益一般較大，為防止過(guò)載毀壞電路，應(yīng)設(shè)置過(guò)載監(jiān)視和保護(hù)電路。壞電路，應(yīng)設(shè)置過(guò)載監(jiān)視和保護(hù)電路。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(二二) 參考通道參考通道作用：作用：為相敏檢測(cè)器提供與被測(cè)信號(hào)相干的控制信號(hào)。為相敏檢測(cè)器提供與被測(cè)信號(hào)相干的控制信號(hào)。要求：要求：輸入端一般有放大或衰減電路，以適應(yīng)不同幅度輸入端一般有放大或衰減電路，以適應(yīng)不同幅度的參考輸入。的參考輸入。通過(guò)觸發(fā)電路將

27、不同的參考輸入變換為規(guī)則的同通過(guò)觸發(fā)電路將不同的參考輸入變換為規(guī)則的同步脈沖波。步脈沖波。參考通道輸出常用方波，故要求其波形的占空比參考通道輸出常用方波，故要求其波形的占空比要精確的占空比要精確的占空比50%50%。必須設(shè)置移相電路，實(shí)現(xiàn)按級(jí)跳變的相移和連續(xù)必須設(shè)置移相電路，實(shí)現(xiàn)按級(jí)跳變的相移和連續(xù)可調(diào)的相移，以滿足可調(diào)的相移，以滿足0 0360360度的相移。度的相移。根據(jù)根據(jù)PSDPSD設(shè)置參考信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出電路，以滿足設(shè)置參考信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出電路，以滿足PSDPSD對(duì)參考信號(hào)的要求。由于常采用電子開(kāi)關(guān)相敏檢測(cè)對(duì)參考信號(hào)的要求。由于常采用電子開(kāi)關(guān)相敏檢測(cè)器，故通常為方波驅(qū)動(dòng)電路，滿足電子開(kāi)關(guān)的電

28、平器，故通常為方波驅(qū)動(dòng)電路，滿足電子開(kāi)關(guān)的電平要求。要求。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(三三) 低通濾波器低通濾波器作用：作用：濾除噪聲，實(shí)現(xiàn)解調(diào)，改善信噪比。濾除噪聲，實(shí)現(xiàn)解調(diào)，改善信噪比。要求：要求：LPFLPF要有很低的轉(zhuǎn)折頻率，即通頻帶寬度很窄，以要有很低的轉(zhuǎn)折頻率，即通頻帶寬度很窄，以便有很強(qiáng)的噪聲抑制能力。同時(shí)便有很強(qiáng)的噪聲抑制能力。同時(shí)LPFLPF的轉(zhuǎn)折頻率常要的轉(zhuǎn)折頻率常要求設(shè)置成可調(diào)。求設(shè)置成可調(diào)。LPFLPF要有好的環(huán)境特性，特別是溫度特性，使其在要有好的環(huán)境特性，特別是溫度特性，使其在不同的溫度范圍內(nèi)有穩(wěn)定的頻率特性。不同的溫度范圍內(nèi)有穩(wěn)定的頻率特性。為使為使LPFLPF輸出能

29、驅(qū)動(dòng)合適的指示或顯示設(shè)備，常采輸出能驅(qū)動(dòng)合適的指示或顯示設(shè)備，常采用直流放大器對(duì)其輸出進(jìn)行放大。要求該直流放大用直流放大器對(duì)其輸出進(jìn)行放大。要求該直流放大器有低的輸入失調(diào)電壓和電流，同時(shí)溫度漂移和時(shí)器有低的輸入失調(diào)電壓和電流，同時(shí)溫度漂移和時(shí)間漂移要小。間漂移要小。 總的來(lái)說(shuō)，鎖定放大器的各部分電路必須采取必要的總的來(lái)說(shuō)，鎖定放大器的各部分電路必須采取必要的屏蔽和接地措施，為抑制外部干擾的影響。同時(shí)各部分信屏蔽和接地措施，為抑制外部干擾的影響。同時(shí)各部分信號(hào)和電源電路還應(yīng)采取必要的隔離措施，避免彼此間的耦號(hào)和電源電路還應(yīng)采取必要的隔離措施，避免彼此間的耦合而采生的內(nèi)部干擾。合而采生的內(nèi)部干擾。

30、微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)二、正交矢量型鎖定放大器二、正交矢量型鎖定放大器正交矢量鎖定放大器可同時(shí)輸出同相分量和正交分量。正交矢量鎖定放大器可同時(shí)輸出同相分量和正交分量。BPFx(t)IAacAacPSD1LPFAdc參考通道參考通道r(t)QPSD2LPFAdc+90則有則有: :同相輸出為同相輸出為cosVIS正交輸出為正交輸出為sinVQS22SQIV)IQ(arctg特點(diǎn)：特點(diǎn)： 的精度不影響測(cè)量結(jié)果，電路復(fù)雜。的精度不影響測(cè)量結(jié)果，電路復(fù)雜。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)三、外差式鎖定放大器三、外差式鎖定放大器(一一) 外差式鎖定放大器結(jié)構(gòu)和原理外差式鎖定放大器結(jié)構(gòu)和原理 由于信號(hào)通道中有帶通濾

31、波器，故當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率變由于信號(hào)通道中有帶通濾波器，故當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率變化時(shí)，需調(diào)整帶通濾波器的參數(shù)。采用類似收音機(jī)的同步化時(shí)，需調(diào)整帶通濾波器的參數(shù)。采用類似收音機(jī)的同步外差技術(shù)，可避免這問(wèn)題。美國(guó)的外差技術(shù)，可避免這問(wèn)題。美國(guó)的ITHACO39X系列和日系列和日本本NF公司的公司的LI-575等均采用這結(jié)構(gòu)。等均采用這結(jié)構(gòu)。原理：原理： 將被測(cè)信號(hào)首先變頻到一個(gè)固定的中頻將被測(cè)信號(hào)首先變頻到一個(gè)固定的中頻f fi i，然后再，然后再進(jìn)行帶通濾波和相敏檢測(cè)，這樣可以避免通過(guò)進(jìn)行帶通濾波和相敏檢測(cè)，這樣可以避免通過(guò)BFPBFP的的信號(hào)頻率的漂移和變化。信號(hào)頻率的漂移和變化。AC放大放大及濾波及濾

32、波混頻混頻PSDLPF頻率合成器頻率合成器輸出輸出x(t)r(t)fif0f0BPF移相移相fifi+f0f0fi+2f0fifi微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)： 在參考通道中有一單頻振蕩器在參考通道中有一單頻振蕩器f fi i，在頻率為，在頻率為f f0 0的參的參考信號(hào)作用下，頻率合成器輸出頻率高穩(wěn)定度的考信號(hào)作用下，頻率合成器輸出頻率高穩(wěn)定度的f fi i和和f fi i+f+f0 0兩種頻率信號(hào)輸出；兩種頻率信號(hào)輸出；其中頻率為其中頻率為f fi i+f+f0 0信號(hào)與頻率為信號(hào)與頻率為f f0 0的信號(hào)進(jìn)行混頻的信號(hào)進(jìn)行混頻（實(shí)際也是相乘），得到和頻項(xiàng)（實(shí)際也是相乘），得到和頻項(xiàng)f

33、 fi i+2f+2f0 0信號(hào)及差頻項(xiàng)信號(hào)及差頻項(xiàng)f fi i信號(hào)。信號(hào)。兩頻率信號(hào)經(jīng)固定中心頻率為兩頻率信號(hào)經(jīng)固定中心頻率為f fi i的帶通濾波器濾波的帶通濾波器濾波器后，輸出頻率為器后，輸出頻率為f fi i的中頻信號(hào)，其幅值正比于被測(cè)的中頻信號(hào)，其幅值正比于被測(cè)信號(hào)。信號(hào)。之后用頻率合成器的另一輸出頻率之后用頻率合成器的另一輸出頻率f fi i信號(hào)作為信號(hào)作為PSDPSD的參考信號(hào)，與經(jīng)的參考信號(hào)，與經(jīng)BPFBPF后得到的頻率為后得到的頻率為f fi i的中頻信號(hào)的中頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)相敏檢測(cè)和隨后的實(shí)現(xiàn)相敏檢測(cè)和隨后的LPFLPF處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)幅度的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)幅度的測(cè)量。測(cè)量。微

34、弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(二二) 頻率合成器的工作原理頻率合成器的工作原理 其功能就是要產(chǎn)生高穩(wěn)定度的中頻其功能就是要產(chǎn)生高穩(wěn)定度的中頻f fi i和混頻所需的和混頻所需的f fi i+ + f f0 0信號(hào)信號(hào)。其內(nèi)部通常有一頻率。其內(nèi)部通常有一頻率fi穩(wěn)定性很高的晶體振蕩器，穩(wěn)定性很高的晶體振蕩器，再利用鎖相環(huán)（再利用鎖相環(huán)（PLL）合成出頻率為）合成出頻率為fi+f0的信號(hào)。的信號(hào)。積分器積分器VCO晶體振蕩器晶體振蕩器r(t)f0fi+f0VC2fi+f0鑒相器鑒相器LPF混頻混頻ADCf0f0fi+f0fifi原理：原理：振蕩和混頻振蕩和混頻- -兩振蕩器，一晶體振蕩器，另一為壓兩振蕩器，

35、一晶體振蕩器，另一為壓控振蕩器（控振蕩器（VCOVCO）。）。鑒相，由鑒相器、積分器和比例放大器夠成。當(dāng)鑒相，由鑒相器、積分器和比例放大器夠成。當(dāng)鑒相器輸出為零時(shí)，鑒相器輸出為零時(shí)，VCOVCO的振蕩頻率不變。的振蕩頻率不變。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)四、微機(jī)化數(shù)字式鎖定放大器四、微機(jī)化數(shù)字式鎖定放大器(一一) 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)系統(tǒng)組成及特點(diǎn) 微機(jī)化數(shù)字式鎖定放大器的核心部件是微型計(jì)算機(jī)，微機(jī)化數(shù)字式鎖定放大器的核心部件是微型計(jì)算機(jī)，鎖定放大所必須的各種濾波、相敏檢測(cè)等功能都由微機(jī)軟鎖定放大所必須的各種濾波、相敏檢測(cè)等功能都由微機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。件來(lái)實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 數(shù)字濾波器的等效噪聲帶寬可做得很窄

36、；數(shù)字濾波器的等效噪聲帶寬可做得很窄；可測(cè)可測(cè)量極低頻信號(hào)；量極低頻信號(hào)；很高的線性度；很高的線性度；靈活性高。靈活性高。顯示顯示打印打印A/D微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)多路開(kāi)關(guān)多路開(kāi)關(guān)x(t)r(t)S/H移相移相AacAacD/A電壓表和電壓表和記錄儀等記錄儀等微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(二二) DPSD的采樣方式的采樣方式 由于相敏檢測(cè)器不僅要鑒幅還要鑒相，故要其有較高由于相敏檢測(cè)器不僅要鑒幅還要鑒相，故要其有較高的工作速度，早期的微機(jī)運(yùn)行速度和采樣速度都較低，為的工作速度，早期的微機(jī)運(yùn)行速度和采樣速度都較低，為解決這矛盾，產(chǎn)生了一些特殊的采樣方法。如在每個(gè)周期解決這矛盾，產(chǎn)生了一些特殊的采樣方法

37、。如在每個(gè)周期內(nèi)只采樣少數(shù)的幾個(gè)特征點(diǎn)，由多個(gè)周期的采樣值恢復(fù)出內(nèi)只采樣少數(shù)的幾個(gè)特征點(diǎn)，由多個(gè)周期的采樣值恢復(fù)出被測(cè)量，反相采樣法和正交采樣法就是這種機(jī)理。而隨著被測(cè)量，反相采樣法和正交采樣法就是這種機(jī)理。而隨著微機(jī)及集成電路工作速度的不斷提高，現(xiàn)更多地采用多次微機(jī)及集成電路工作速度的不斷提高，現(xiàn)更多地采用多次采樣法。采樣法。多次采樣法：多次采樣法： 在被測(cè)信號(hào)的每個(gè)周期內(nèi)都采樣很多點(diǎn)，之后利在被測(cè)信號(hào)的每個(gè)周期內(nèi)都采樣很多點(diǎn)，之后利用數(shù)值計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)模擬式相敏檢測(cè)的功能。用數(shù)值計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)模擬式相敏檢測(cè)的功能。 設(shè)設(shè)在被測(cè)信號(hào)周期在被測(cè)信號(hào)周期T T內(nèi)要均勻采樣內(nèi)要均勻采樣M M點(diǎn)，采

38、樣控制信點(diǎn)，采樣控制信號(hào)號(hào)p(tp(t) )是一連串的狄拉克函數(shù)是一連串的狄拉克函數(shù)0k)MkTt () t ( p其中其中 )x(1 1，x=0 x=00 0，x0 x0微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)則參考信號(hào)的采樣值有則參考信號(hào)的采樣值有: :0k)MkTt ()MkT( r)k( r被測(cè)信號(hào)的采樣值有被測(cè)信號(hào)的采樣值有: :0k)MkTt ()MkT(x)k(x設(shè)用數(shù)字積分來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)用數(shù)字積分來(lái)實(shí)現(xiàn)LPFLPF，積分時(shí)間為，積分時(shí)間為N N個(gè)信號(hào)周期個(gè)信號(hào)周期T:T:則有則有: :N1ko)k( r )k(xN1u當(dāng)當(dāng)r(tr(t) )為幅值為為幅值為1 1的方波時(shí)有的方波時(shí)有: :N1n2M1k

39、o)MkT2Tx(nT)MkTx(nTNM1u微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)2-4 2-4 旋轉(zhuǎn)電容濾波及其在鎖定旋轉(zhuǎn)電容濾波及其在鎖定放大器中的應(yīng)用放大器中的應(yīng)用一、旋轉(zhuǎn)電容濾波器的工作原理一、旋轉(zhuǎn)電容濾波器的工作原理(一一) 旋轉(zhuǎn)電容濾波原理旋轉(zhuǎn)電容濾波原理旋轉(zhuǎn)電容濾波器為一種特殊的開(kāi)關(guān)電容濾波器。旋轉(zhuǎn)電容濾波器為一種特殊的開(kāi)關(guān)電容濾波器。R RC CK K1 1K K2 2i(t)i(t)p(t)p(t)V VO O(t)(t)+1+1-1-10 0T T0 0p(t)p(t)t t微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)等效電路等效電路R RC Ci i(t(t) )V VO O(t)(t) t ( i ) t

40、 ( p) t ( i 設(shè)設(shè)p(t)p(t)的的0 0=2=2/T/T0 0，有，有p(t)p(t)傅里葉級(jí)數(shù)的指數(shù)形式有傅里葉級(jí)數(shù)的指數(shù)形式有: : t) 1n2( jexp1n2) 1(4) t ( p01n1n t) 1n2( jexp) t ( i1n2) 1(4) t ( i ) t ( p) t ( i01n1n對(duì)上式傅里葉變換，并根據(jù)對(duì)上式傅里葉變換，并根據(jù)Fx(t)exp(jFx(t)exp(j1 1t)=X(-t)=X(-1 1) ) 1n2( I1n2) 1(4)(I01n1n微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)等效電路等效電路R RC Ci i(t(t) )V VO O(t)(t)電路

41、中阻抗為電路中阻抗為: :RCj1RZ 由于等效電流源的頻率有多個(gè)，由于等效電流源的頻率有多個(gè)，故對(duì)應(yīng)阻抗為故對(duì)應(yīng)阻抗為: :RC) 1n2( j1RZ0nRC) 1n2( j1) 1n2( I1n2) 1(R4)(V001n1no2001noRC) 1n2(1| ) 1n2( I |1n21R4| )(V|微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(二二) 旋轉(zhuǎn)電容濾波電路分析旋轉(zhuǎn)電容濾波電路分析R R1 1R R2 2R RC CK K1 1K K2 2A AB BA AB BV Vi i(t(t) )V Vo o(t(t) )(a)(a)電路原理圖電路原理圖R R1 1R R2 2R RC CV Vi i(

42、t(t) )V Vo o(t(t) )(b)(b)等效電路等效電路 電子開(kāi)關(guān)在方波脈沖控制下切換，相當(dāng)于電容在兩半圓電子開(kāi)關(guān)在方波脈沖控制下切換，相當(dāng)于電容在兩半圓形極板中以開(kāi)關(guān)頻率形極板中以開(kāi)關(guān)頻率f0=0/2旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。由圖知流進(jìn)電路的電流為由圖知流進(jìn)電路的電流為: :1iR/ ) t (V) t ( i對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換后有對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換后有: :1iR/ )(V)( I微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)又由于有又由于有: :RC) 1n2( j1) 1n2( I1n2) 1(R4)(V001n1no) 1n2(1n2) 1(RCj1)( IR401n1n則有傳遞函數(shù)則有傳遞函數(shù): :) 1n2

43、(1n2) 1(RCj11RR4)(V)(V)(H01n1n1ioRC) 1n2( j111n2) 1(RR401n1n1即幅頻響應(yīng)即幅頻響應(yīng): :201n1RC) 1n2(111n21RR4| )(H|相頻響應(yīng)相頻響應(yīng): :RC) 1n2(arctan)(0微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)二、旋轉(zhuǎn)電容濾波器的性能二、旋轉(zhuǎn)電容濾波器的性能根據(jù)幅頻響應(yīng)函數(shù)，且設(shè)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)有根據(jù)幅頻響應(yīng)函數(shù)，且設(shè)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)有: :當(dāng)當(dāng)n=1n=1，=0 0時(shí)，時(shí)，1RR4| )(H|1n21RR4| )(H|1當(dāng)當(dāng)=(2n-1)=(2n-1)0 0時(shí)，時(shí)，1n21)RC(111n21RR4| )(H|當(dāng)當(dāng)=

44、(2n-1)=(2n-1)0 0+時(shí)，時(shí)，0)(0)()RCarctan()(微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)則有幅頻圖則有幅頻圖0|H()|0相對(duì)幅值相對(duì)幅值1RR41301/3501/5701/7901/902V2VOe) f ( d ) f (KK1fB根據(jù)電路等效帶寬定義根據(jù)電路等效帶寬定義: :02V2VO)( d )(KK21微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè) 01n202e)( dRC) 1n2(11) 1n2(121B則旋轉(zhuǎn)電容濾波電路的等效帶寬為則旋轉(zhuǎn)電容濾波電路的等效帶寬為: :0201n2)( dRC) 1n2(11) 1n2(121RC) 1n2(0)( d11) 1n2(1RC21B21n

45、2e令令|arctan) 1n2(1RC211n21n2) 1n2(1RC21RC162微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)三、基于旋轉(zhuǎn)電容濾波器的同步外差鎖定放大器三、基于旋轉(zhuǎn)電容濾波器的同步外差鎖定放大器旋轉(zhuǎn)電容旋轉(zhuǎn)電容濾波器濾波器PSDx(t)r(t)fsfr移相移相K1K2AC放大放大11HZ方方波振蕩器波振蕩器AC放大放大解調(diào)解調(diào)LPFACBBBDEFG(一一) 電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)和工作原理 只要選擇較大的時(shí)間常數(shù)只要選擇較大的時(shí)間常數(shù)RC，旋轉(zhuǎn)電容濾波器的等效，旋轉(zhuǎn)電容濾波器的等效噪聲帶寬就很窄。引入旋轉(zhuǎn)電容濾波器，實(shí)際上是對(duì)調(diào)制信噪聲帶寬就很窄。引入旋轉(zhuǎn)電容濾波器，實(shí)際上是對(duì)調(diào)制信號(hào)再

46、次賦予一種頻率特征，再利用這種頻率特征將放大了的號(hào)再次賦予一種頻率特征，再利用這種頻率特征將放大了的信號(hào)解調(diào)出來(lái)，可提高系統(tǒng)的交流增益，降低直流增益，提信號(hào)解調(diào)出來(lái)，可提高系統(tǒng)的交流增益，降低直流增益，提高穩(wěn)定性。如美國(guó)高穩(wěn)定性。如美國(guó)PARC的的186A型型 電路結(jié)構(gòu)框圖電路結(jié)構(gòu)框圖微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)工作原理工作原理t(a)(a)t(d)(d)t(b)(b)t(c)(c)t(e)(e)t(f)(f)t(g)(g)微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)(二二) 各點(diǎn)的電壓值各點(diǎn)的電壓值設(shè)設(shè): :輸入信號(hào)輸入信號(hào))tcos(V) t (xSS方波振蕩器輸出信號(hào)方波振蕩器輸出信號(hào) t) 1n2cos(1n21

47、4) t (V01n1nB則則C C點(diǎn)電壓值有點(diǎn)電壓值有) t (V) t (xK) t (VB1C t) 1n2cos(1n21)tcos(VK4) t (V01n1nSS1C旋轉(zhuǎn)電容旋轉(zhuǎn)電容濾波器濾波器PSDx(t)r(t)fsfr移相移相K1K2AC放大放大11HZ方方波振蕩器波振蕩器AC放大放大解調(diào)解調(diào)LPFACBBBDEFG微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)設(shè)設(shè): :參考參考信號(hào)信號(hào) t)1m-2(cos1m214(t)Vr1m1mD則則E E點(diǎn)電壓值有點(diǎn)電壓值有(t)V(t)V(t)VDCE t)1n2(cos1n21)t(cosVK16(t)V01n1nS2S1E旋轉(zhuǎn)電容旋轉(zhuǎn)電容濾波器濾波器

48、PSDx(t)r(t)fsfr移相移相K1K2AC放大放大11HZ方方波振蕩器波振蕩器AC放大放大解調(diào)解調(diào)LPFACBBBDEFG t)1m2(cos1m21r1m1m微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè) t)1n2(cos1n21)t(cosVK16(t)V01n1nS2S1E旋轉(zhuǎn)電容旋轉(zhuǎn)電容濾波器濾波器PSDx(t)r(t)fsfr移相移相K1K2AC放大放大11HZ方方波振蕩器波振蕩器AC放大放大解調(diào)解調(diào)LPFACBBBDEFG t)1m2(cos1m21tcosr2m1mr tcos)tcos(2t)1n2(cos1n21VK8rs01n1n2S1 t)1m2(cos1m21)tcos(2r2m1m

49、s微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)旋轉(zhuǎn)電容旋轉(zhuǎn)電容濾波器濾波器PSDx(t)r(t)fsfr移相移相K1K2AC放大放大11HZ方方波振蕩器波振蕩器AC放大放大解調(diào)解調(diào)LPFACBBBDEFG由于一般情況下由于一般情況下r r=s s，可得，可得: : )t2cos(cost)1n2(cos1n21VK8) t (Vs01n1n2S1E t)1m2(cos1m21)tcos(2r2m1ms 根據(jù)旋轉(zhuǎn)電容濾波器的特性，其僅在開(kāi)關(guān)信號(hào)的基波頻率根據(jù)旋轉(zhuǎn)電容濾波器的特性，其僅在開(kāi)關(guān)信號(hào)的基波頻率f f0 0和各奇次諧波和各奇次諧波(2n-1)f(2n-1)f0 0處有響應(yīng)，抑制除此之外外的任何信處有響應(yīng)，抑制

50、除此之外外的任何信號(hào)和噪聲。故有效輸入信號(hào)電壓為號(hào)和噪聲。故有效輸入信號(hào)電壓為: :微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)旋轉(zhuǎn)電容旋轉(zhuǎn)電容濾波器濾波器PSDx(t)r(t)fsfr移相移相K1K2AC放大放大11HZ方方波振蕩器波振蕩器AC放大放大解調(diào)解調(diào)LPFACBBBDEFG t)1n2(cos1n21cosVK8) t (V01n1n2S1E 頻域表示有頻域表示有: : ) 1n2(1n21cosVK8)(V01n1n2S1E 根據(jù)旋轉(zhuǎn)電容濾波器的幅頻響應(yīng)有根據(jù)旋轉(zhuǎn)電容濾波器的幅頻響應(yīng)有: :201n1RC) 1i 2(111i 21RR4| )(H|微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)旋轉(zhuǎn)電容旋轉(zhuǎn)電容濾波器濾波器P

51、SDx(t)r(t)fsfr移相移相K1K2AC放大放大11HZ方方波振蕩器波振蕩器AC放大放大解調(diào)解調(diào)LPFACBBBDEFG則則F F點(diǎn)電壓幅度為點(diǎn)電壓幅度為: :| )(H| )(V| )(V|EF201nRC) 1i 2(111i 21) 1n2(1n21cosRRVK3201n13S1 微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)0|H()|0相對(duì)幅值相對(duì)幅值1RR4 1301/3501/5701/7901/90|H()|0相對(duì)幅值相對(duì)幅值2cos SV18130-1/3501/570-1/7901/9 由圖可知由圖可知: :當(dāng)當(dāng)n=in=i時(shí)時(shí), ,兩項(xiàng)相乘有輸出兩項(xiàng)相乘有輸出; ;且當(dāng)且當(dāng)RCRC足夠

52、大時(shí)各足夠大時(shí)各奇次諧波處的帶寬就會(huì)足夠窄奇次諧波處的帶寬就會(huì)足夠窄, ,則可認(rèn)為只有則可認(rèn)為只有n=in=i及及=(2n-=(2n-1)1)0 0的各頻率點(diǎn)有輸出。的各頻率點(diǎn)有輸出。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)旋轉(zhuǎn)電容旋轉(zhuǎn)電容濾波器濾波器PSDx(t)r(t)fsfr移相移相K1K2AC放大放大11HZ方方波振蕩器波振蕩器AC放大放大解調(diào)解調(diào)LPFACBBBDEFG則則F F點(diǎn)電壓簡(jiǎn)化為點(diǎn)電壓簡(jiǎn)化為: :21n13S1F)1n21(cosRRVK32| )(V| 8cosRRVK32213S1 cosRRVK41S1經(jīng)再次放大、解調(diào)和低通濾波經(jīng)再次放大、解調(diào)和低通濾波G G點(diǎn)輸出電壓為點(diǎn)輸出電壓為

53、: :| )(V|K| )(V| ) t (V|F2GGcosRRVKK41S21微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)2-5 2-5 鎖定放大器的性能指標(biāo)與鎖定放大器的性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào) 鎖定放大器處理的是微弱信號(hào)，是淹沒(méi)在噪聲中的有用鎖定放大器處理的是微弱信號(hào)，是淹沒(méi)在噪聲中的有用信號(hào)，故除一般檢測(cè)儀表所要求的普通指標(biāo)外，還必須定出信號(hào)，故除一般檢測(cè)儀表所要求的普通指標(biāo)外，還必須定出抵御噪聲能力的指標(biāo)。抵御噪聲能力的指標(biāo)。一、鎖定放大器的主要指標(biāo)一、鎖定放大器的主要指標(biāo)滿刻度時(shí)的輸入電平滿刻度時(shí)的輸入電平FSFS 針對(duì)有用信號(hào)輸入針對(duì)有用信號(hào)輸入過(guò)載電平過(guò)載電平OVLOVL 針對(duì)各級(jí)的噪聲信號(hào)（用

54、幅值來(lái)度量）針對(duì)各級(jí)的噪聲信號(hào)（用幅值來(lái)度量）最小可測(cè)信號(hào)最小可測(cè)信號(hào)MDSMDS取決于系統(tǒng)漂移取決于系統(tǒng)漂移輸入總動(dòng)態(tài)范圍輸入總動(dòng)態(tài)范圍 給定測(cè)量靈敏度下過(guò)載電平給定測(cè)量靈敏度下過(guò)載電平OVLOVL與最小與最小可測(cè)信號(hào)可測(cè)信號(hào)MDSMDS之比的分貝值。之比的分貝值。)MDSOVLlg(20即輸入總動(dòng)態(tài)范圍即輸入總動(dòng)態(tài)范圍微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)輸出動(dòng)態(tài)范圍輸出動(dòng)態(tài)范圍滿刻度輸出時(shí)的輸入電平滿刻度輸出時(shí)的輸入電平FSFS與最小可與最小可測(cè)信號(hào)測(cè)信號(hào)MDSMDS之比的分貝值。之比的分貝值。)MDSFSlg(20即輸出動(dòng)態(tài)范圍即輸出動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備 過(guò)載電平過(guò)載電平OVLOVL與滿刻度輸出時(shí)

55、的輸入電與滿刻度輸出時(shí)的輸入電平平FSFS之比的分貝值。之比的分貝值。)lg(20FSOVL即動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備即動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備根據(jù)定義有相互關(guān)系根據(jù)定義有相互關(guān)系: :輸入總動(dòng)態(tài)范圍輸入總動(dòng)態(tài)范圍= =輸出動(dòng)態(tài)范圍輸出動(dòng)態(tài)范圍+ +動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備輸出動(dòng)輸出動(dòng)態(tài)范圍態(tài)范圍輸入總動(dòng)態(tài)范圍輸入總動(dòng)態(tài)范圍OVLOVLFSFSMDSMDS微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè) 例：鎖定放大器的滿刻度輸出為例：鎖定放大器的滿刻度輸出為1V，這時(shí)的輸入信號(hào)電平，這時(shí)的輸入信號(hào)電平為為1V。當(dāng)輸入端附加噪聲的峰值大到。當(dāng)輸入端附加噪聲的峰值大到0.45mV時(shí)，出現(xiàn)過(guò)載。時(shí)，出現(xiàn)過(guò)載。當(dāng)輸入端短路時(shí)，輸出端有長(zhǎng)時(shí)間漂移當(dāng)輸

56、入端短路時(shí)，輸出端有長(zhǎng)時(shí)間漂移2.5mV。根據(jù)定義有：根據(jù)定義有：61011VVAnVmVMDS5 . 2105 . 26mVOVL45. 0)(105)lg(20dBMDSOVL輸入總動(dòng)態(tài)范圍輸入總動(dòng)態(tài)范圍)(52)lg(20dBMDSFS輸出動(dòng)態(tài)范圍輸出動(dòng)態(tài)范圍VFS1)(53)lg(20dBFSOVL動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)二、動(dòng)態(tài)范圍與頻率的關(guān)系二、動(dòng)態(tài)范圍與頻率的關(guān)系 鎖定放大器的動(dòng)態(tài)范圍是隨頻率變化的，同時(shí)與信號(hào)通鎖定放大器的動(dòng)態(tài)范圍是隨頻率變化的，同時(shí)與信號(hào)通道中的濾波器特性有關(guān)。道中的濾波器特性有關(guān)。OVLOVLFSFSMDSMDSf ff fr r(a)(a)無(wú)

57、濾波器無(wú)濾波器OVLOVLFSFSMDSMDSf ff fr r(b)(b)帶通濾波器帶通濾波器OVLOVLFSFSMDSMDSf ff fr r(c)(c)陷波器陷波器OVLOVLFSFSMDSMDSf ff fr r(d)LPF(d)LPF微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)三、動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)三、動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào) 鎖定放大器的靈敏度一經(jīng)設(shè)定，系統(tǒng)的鎖定放大器的靈敏度一經(jīng)設(shè)定，系統(tǒng)的FS和總增益就確和總增益就確定?？傇鲆鏋槎ā？傇鲆鏋镻SD之前的交流增益與之前的交流增益與PSD之后的直流增益的之后的直流增益的乘積，故存在如何分配兩者的增益，就是動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)。乘積，故存在如何分配兩者的增益，就是動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)。OVLOVLMDSM

58、DSOVLOVLOVLOVLMDSMDSMDSMDS高穩(wěn)定高穩(wěn)定高儲(chǔ)備高儲(chǔ)備FSFS增大交流增益，降低直流增益增大交流增益，降低直流增益在保持在保持FSFS和總增益不變的條件下和總增益不變的條件下: :交流增益增大使得噪聲隨之增交流增益增大使得噪聲隨之增大，容易使大，容易使PSDPSD過(guò)載，導(dǎo)致過(guò)載，導(dǎo)致OVLOVL下下降，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備減少；同時(shí)直流增降，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備減少；同時(shí)直流增益的降低也減少了直流漂移，從益的降低也減少了直流漂移，從而使而使MDSMDS相應(yīng)減少，即測(cè)量范圍相應(yīng)減少，即測(cè)量范圍加大，處于高穩(wěn)定狀態(tài)。加大，處于高穩(wěn)定狀態(tài)。降低交流增益，增大直流增益降低交流增益，增大直流增益 交流增益

59、降低使交流增益降低使PSDPSD不易過(guò)不易過(guò)載，使載，使OVLOVL增大，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備提高；直流增益的增大也增加了增大，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備提高；直流增益的增大也增加了直流漂移，提高了直流漂移，提高了MDSMDS，測(cè)量范圍減小，處于高儲(chǔ)備狀態(tài)。，測(cè)量范圍減小，處于高儲(chǔ)備狀態(tài)。微 弱 信 號(hào) 檢 測(cè)2-6 2-6 鎖定放大器的應(yīng)用鎖定放大器的應(yīng)用 鎖定放大器鎖定放大器(LIA)是微弱信號(hào)檢測(cè)的重要手段，已被廣是微弱信號(hào)檢測(cè)的重要手段，已被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文、電子技術(shù)等領(lǐng)域的泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文、電子技術(shù)等領(lǐng)域的研究工作中。例分子束質(zhì)譜儀、掃描電鏡研究工作中。例分子束質(zhì)譜儀、掃描電

60、鏡(SEM)、軟、軟X射線射線激發(fā)電位能譜儀激發(fā)電位能譜儀(SXAPS)、餓歇、餓歇(Aguer)電子譜儀等儀器中均電子譜儀等儀器中均采用了采用了LIA。0、使用鎖定放大器的注意事項(xiàng)、使用鎖定放大器的注意事項(xiàng)其輸入信號(hào)一般是正弦波或方波。其輸入信號(hào)一般是正弦波或方波。實(shí)際中實(shí)際中LIALIA中中PSDPSD后續(xù)的后續(xù)的LPFLPF常用積分器來(lái)代替，其時(shí)間常用積分器來(lái)代替，其時(shí)間常數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)被測(cè)信號(hào)的變化快慢來(lái)匹配。常數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)被測(cè)信號(hào)的變化快慢來(lái)匹配。根據(jù)信號(hào)和噪聲的具體情況適當(dāng)?shù)胤峙涓鶕?jù)信號(hào)和噪聲的具體情況適當(dāng)?shù)胤峙銵IALIA的交流增益的交流增益和直流增益。和直流增益。采用適當(dāng)?shù)钠?/p>