第四章鎖相放大器2015

微弱信號檢測4鎖相放大器4.1概述(為什么引入鎖相放大器,應(yīng)用場合?)首先回憶一下濾波器降噪的基本方法，原理，適用條件。4.1.1特點鎖相放大器相當(dāng)于高Q值帶通濾波器，采用一種特殊的方法，利用低通濾波器代替帶通濾波器，使“實際的”帶通濾波器的Q值可以提高到1011左右，從而實現(xiàn)了一種特殊的帶通濾波器，能夠自動地將中心頻率跟蹤和保持在測量頻率上。14鎖相放大器4.1概述4.1.2原理

24.2理論基礎(chǔ)

4.2.1相關(guān)檢測原理(1)自相關(guān)檢測3延遲τLPF4鎖相放大器4xi(t)與ni(t)相互獨立，則互不相關(guān)，因而為零。當(dāng)xi(t)為白噪聲、且τ足夠大時，Rx(τ)→0。當(dāng)ni(t)為振幅等于1的正弦信號，4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.1相關(guān)檢測原理(1)自相關(guān)檢測5延遲τLPFxi(t)與ni(t)相互獨立，則互不相關(guān)，因而為零。4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.1相關(guān)檢測原理(2)互相關(guān)檢測64鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.1相關(guān)檢測原理(3)τ的選擇對于互相關(guān)檢測，設(shè)被檢測信號為正弦波當(dāng)取τ=0,Rn(τ)具有最大值。4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(1)乘法器型相敏檢測器PhaseSensitiveDemodulator相位靈敏調(diào)解器／相敏檢測LPF①正弦波信號、正弦波參考4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器①正弦波信號、正弦波參考Ⅰ幅頻特性LPF為一階RC低通濾波器幅頻／相頻特性當(dāng)4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器①正弦波信號、正弦波參考Ⅰ幅頻特性LPF為一階RC低通濾波器Δω＝ω－ω0ω0|H(ω)|ω0.707ω0-ω=1/RC4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器②正弦波信號、方波參考LPF濾出≥2ω0的交流成分后和頻差頻4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器③正弦波信號＋單頻等幅噪聲、正弦波參考和頻差頻4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器④正弦波信號＋窄帶白噪聲、正弦波參考4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器④正弦波信號＋窄帶白噪聲、正弦波參考主要噪聲項4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器⑤信噪改善(正弦波信號＋窄帶白噪聲、正弦波參考)輸入噪聲功率輸入信號功率輸出噪聲功率輸出信號功率等效噪聲帶寬4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器⑤信噪改善(正弦波信號＋窄帶白噪聲、正弦波參考)若LPF為一階RC回路（A0＝1）4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器⑥正弦波信號＋窄帶白噪聲、方波參考加入輸入帶通濾波器4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(2)開關(guān)型相敏檢測器(構(gòu)成框圖)(同乘法型PSD間的區(qū)別)變壓器倒相加模擬開關(guān)運算放大器倒相加模擬開關(guān)方波參考Vr=1開關(guān)型相敏檢測器的優(yōu)點？？？4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(2)開關(guān)型相敏檢測器(不同相位時相敏檢波器的波形圖)方波參考Vr=14鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(2)開關(guān)型相敏檢測器(基本器件與電路)①差分輸出放大器(全差動型運算放大器)②單刀雙擲模擬開關(guān)HC4053三單刀雙擲模擬開關(guān)4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(2)開關(guān)型相敏檢測器(基本器件與電路)③差分輸出放大器＋單刀雙擲模擬開關(guān)組合電路(乘法)方波參考4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(2)開關(guān)型相敏檢測器(基本器件與電路)④IGFET＋單端輸出集成運放組合電路(乘法)方波參考4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.1基本構(gòu)成(1)信號通道（作用及要求？？？）①交流放大器(低噪前置＋AC放大)②帶通濾波器4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.1基本構(gòu)成(1)信號通道①交流放大器②帶通濾波器(LPF＋HPF原理圖)4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.1基本構(gòu)成(1)信號通道①交流放大器②帶通濾波器(LPF＋HPF特性曲線)4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.1基本構(gòu)成(1)信號通道(2)參考通道(過零單穩(wěn)觸發(fā)Ui＋移相Uo

＋方波形成)移相器4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.1基本構(gòu)成(1)信號通道移相器及其時序(2)參考通道Ra>Rb

，則Ib>Ia4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.2正交矢量型鎖相放大器(1)基本原理4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.2正交矢量型鎖相放大器(2)正交參考信號的產(chǎn)生(原理圖)可用一片CD40184鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.2正交矢量型鎖相放大器(2)正交參考信號的產(chǎn)生(時序圖)4鎖相放大器4.3鎖相放大器的組成

4.3.3外差式鎖相放大器(1)結(jié)構(gòu)原理特點：帶通濾波器中心頻率fI恒定，特性穩(wěn)定。4鎖相放大器4.3鎖相放大器的組成

4.3.3外差式鎖相放大器

(1)結(jié)構(gòu)原理(2)PLL頻率合成器4鎖相放大器4.3鎖相放大器的組成

4.3.4數(shù)字式鎖相放大器(1)結(jié)構(gòu)原理特點：頻帶寬，采用數(shù)字濾波和軟件數(shù)字相敏檢測適應(yīng)性強。還可以采用純軟件數(shù)字移相器，簡化線路。4鎖相放大器4.3鎖相放大器的組成

4.3.4數(shù)字式鎖相放大器

(1)結(jié)構(gòu)原理(2)軟件數(shù)字相敏檢測(波形)4鎖相放大器4.3旋轉(zhuǎn)電容濾波器在鎖相放大器中的應(yīng)用(略)

4.4.1旋轉(zhuǎn)電容濾波器---開關(guān)電容(1)基本結(jié)構(gòu)4鎖相放大器4.5鎖相放大器的性能指標(biāo)(1)量程FS:滿刻度輸出時的輸入電平,反映測量靈敏度,同增益有關(guān)(2)過載電平OVL:允許的輸入最大噪音,應(yīng)比FS要大很多;(3)最小可測信號MDS:輸入能分辨的最小輸入信號,測量值的下限(4)輸入總動態(tài)范圍:(5)輸出總動態(tài)范圍(6)動態(tài)儲備4鎖相放大器4.6鎖相放大器的應(yīng)用：自己查閱相關(guān)的資料，可作為大作業(yè)的一部分內(nèi)容

習(xí)題:1:鎖相放大器的應(yīng)用場合?同調(diào)制放大與解調(diào)之間的區(qū)別?2:鎖相放大器的基本工作原理、構(gòu)成及格組成部分的作用？1:如何測量被噪聲埋沒了的信號？

在測量各種物理量（溫度、加速度等）時，用傳感器將其變換成為電信號，然后輸入到分析儀器（測量儀器）中去。但是，僅想獲得必要的信號是很難做到的。通常是連不必要的信號（也就是噪聲）也一起被測量了。在各種情況下，噪聲都有可能混進(jìn)來。噪聲并不僅限于電信號也有包含在被測量的物理量中的情況。另外，根據(jù)不同場合，也出現(xiàn)噪聲強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出所需要的目的信號電平的情況。想要測量的信號越微弱，那么噪聲就相對地越大。

在這里，讓我們來看一下用交流電壓表來測量不同電平的1kHz的正弦波信號的結(jié)果。

在信號上疊加了0.1Vrms的白噪聲。“毫伏計”是一般的交流電壓表，“鎖相放大器”是一種專門測量微小信號的（特殊的）交流電壓表。結(jié)論:毫伏計也同時測量噪聲。即使用數(shù)字萬用表（DMM）來測量，也會得到與毫伏計相同的測量結(jié)果。

但鎖相放大器，能在比目的信號（1kHz正弦波）強1000倍的噪聲中把目的信號幾乎準(zhǔn)確無誤地檢測出來。在測量埋沒在噪聲中的信號時，使用鎖相放大器最為合適2:為什么鎖相放大器具有那么強的抗噪聲能力？

鎖相放大器不容易受到噪聲影響的原因，是因為很好地利用了噪聲（白噪聲）與目的信號（正弦波）之間在性質(zhì)上的差別。

在這里，我們一方面整理白噪聲的性質(zhì)和正弦波的性質(zhì)，一方面解說為什么鎖相放大器會具有很強的噪聲抑制能力。白噪聲的性質(zhì)

■平坦的頻譜在寬闊的頻率范圍內(nèi)，該信號具有幾乎相同的頻譜。信號的瞬時電平成為預(yù)測不到的隨機的值。

即使對于同樣的噪聲，如果用帶通濾波器（BPF）來限制所通過的頻帶，那么測量所得的電壓值就會不同。■隨著頻帶寬度不同測量電壓會改變在用毫伏計測量白噪聲時，得到的測量值和白噪聲所具有的頻譜帶寬（BandWidth:B.W.）的平方根以及電平成比例。測量得到的電壓值，與下圖中的淺藍(lán)色部分的面積成比例。

把測量所得的噪聲電壓（Vrms），除以頻帶寬度的平方根，就得到用表示噪聲大小的單位、也即稱作噪聲電壓密度（V/√Hz）來衡量的值。頻道寬度如果縮小到1/100，那么測量所得的噪聲電壓就縮小到1/10。

■頻譜非常集中1kHz正弦波信號的頻譜，只存在于1kHz的位置，其他地方的頻譜的電平都為零。

與頻帶寬度無關(guān)，測量所得電壓保持一定的值。因為頻譜是集中分布的，所以不受頻帶寬度的影響，測量所得的電壓保持一定的值。但是，必須要使信號頻率存在于所取的頻帶之內(nèi)。

用交流電壓表所測量的電壓值，與頻帶寬度無關(guān)，是上圖中的V。

在正弦波上疊加了白噪聲以后會怎么樣呢??

即使白噪聲與正弦波進(jìn)行加法運算所得的信號，測量所得的電壓對于頻帶寬度所具有的各種性質(zhì)也不會有變化。

所以，當(dāng)帶通濾波器的頻帶寬度變狹窄時，就會有以下結(jié)果：想要測量的信號的電平不變；白噪聲的強度減?。唤涣髀暤阮l率不同的成分也當(dāng)然被削弱。從以上這些結(jié)果可知，為了測量被噪聲所掩埋的信號，應(yīng)該將帶通濾波器的頻帶寬度變窄。

如果將頻帶寬度縮小到1/N，那么噪聲就減小到1/√N，而信號卻不改變，其結(jié)果SN比（信噪比）改善為1/√N。

但是，這樣的帶通濾波器也是有一個限度的。

■使通帶變狹窄的限度使用帶通濾波器只讓想要測量的頻率信號通過，可以抑制噪聲，讓目的信號浮現(xiàn)出來。

但是，使帶通濾波器的通帶寬度變窄，這也是有限度的。

在帶通濾波器中，中心頻率與通帶寬度的比值稱作Q值，作為衡量帶通濾波器的濾波尖銳程度的一項指標(biāo)來使用。

Q值越大，通帶寬度就越窄，抑制噪聲的能力就越強。但是，一般的濾波器所能夠?qū)崿F(xiàn)的Q值，大約在100左右。對于1kHz的中心頻率，相應(yīng)的通帶寬度的限界大約在10Hz左右。Q值不能任意增大的原因，在于組成濾波器的零部件的精確度和時間/溫度的穩(wěn)定性是有限的。把帶通濾波器與鎖相放大器做一個比較。

Q（中心頻率/通帶寬度）中心頻率帶通濾波器100左右(10Hz—1kHz)固定（不容易改變）鎖相放大器～107左右(0.1mHz-1kHz)追隨測量信號

鎖相放大器用特殊的方法，使Q提高到約為107（通常的帶通濾波器約為100左右），而且實現(xiàn)了一種特殊的帶通濾波器，能夠自動地將中心頻率跟蹤和保持在測量頻率上。鎖相放大器對于噪聲的抑制能力，是由上圖中低通濾波器LPF）的截止頻率來確定的。例如，在測量10kHz的信號時，如果使用1mHz的低通濾波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的帶通濾波器時的噪聲抑制能力。如果換算成為Q值，就相當(dāng)于5×106。要想真正制造這樣高的Q值的帶通濾波器，那是不可能的。但是，使用鎖相放大器，這就很容易實現(xiàn)了。

如同前面所解說的那樣，在使用通頻帶非常狹窄的帶通濾波器（BPF）時，如果其中心頻率與被測量