第三部分鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

第四章鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用4.1鎖定放大概述4.2相敏檢測4.3鎖定放大器的組成與部件4.4性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)4.5鎖定放大應(yīng)用4.1鎖定放大概述設(shè)混有噪聲的正弦調(diào)制信號為:4.1鎖定放大概述鎖定放大器(lock-inamplifier,LIA)自問世以來,在微弱信號檢測方面顯示出優(yōu)秀的性能,在科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.

設(shè)混有噪聲的正弦調(diào)制信號為:(1)Q值非常高的帶通濾波器在實(shí)際中往往很難實(shí)現(xiàn).(2)Q值高的BPF往往不穩(wěn)定，溫度、電源電壓的波動(dòng)均會(huì)使濾波器的中心頻率發(fā)生變化,從而導(dǎo)致其通頻帶不能覆蓋信號頻率,使得測量系統(tǒng)無法可靠地進(jìn)行測量.4.1鎖定放大概述鎖定放大器抑制噪聲有3個(gè)基本出發(fā)點(diǎn):(1)用調(diào)制器將直流或慢變信號的頻譜遷移到調(diào)制頻率處,再進(jìn)行放大,以避開1/f噪聲的不利影響.(2)利用相敏檢測器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號的解調(diào)過程,可以同時(shí)利用頻率和相角進(jìn)行檢測,噪聲與信號同頻又同相的概率很低.

(3)用低通濾波器而不是用帶通濾波器來抑制寬帶噪聲.LPF的頻帶可以做得很窄,而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響,穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于BPF.4.1.1鎖定放大器中的頻譜遷移(1)鎖定放大器繼承了調(diào)制放大器使用交流放大,而不使用直流放大的原理,從而避開了幅度較大的1/f噪聲;(2)同時(shí)又用相敏檢測器實(shí)現(xiàn)解調(diào),用穩(wěn)定性更高的低通濾波器實(shí)現(xiàn)窄帶化過程,從而使檢測系統(tǒng)的性能大為改善.4.1.2鎖定放大器中的工作原理(1)信號通道對調(diào)制正弦信號輸入進(jìn)行交流放大,將微弱信號放大到足以推動(dòng)相敏檢測器工作的電平,并且要濾除部分干擾和噪聲,以提高相敏檢測的動(dòng)態(tài)范圍.(2)參考通道對參考輸入進(jìn)行放大或衰減,以適應(yīng)相敏檢測器對幅度的要求.(3)PSD實(shí)現(xiàn)頻譜遷移過程.4.2相敏檢測

相敏檢測器是鎖定放大器的核心部件,它既鑒幅,又鑒相,其輸出不但取決于輸入信號的幅度,而且取決于輸入信號與參考信號的相位差.(1)模擬乘法器型相敏檢測器

(2)電子開關(guān)式相敏檢測器4.2.1模擬乘法器型相敏檢測器

(1)x(t)與r(t)均為正弦波(2)x(t)為正弦波,r(t)為方波(3)x(t)為正弦波含單頻噪聲,r(t)為正弦波

(4)x(t)為正弦波含窄帶噪聲,r(t)為正弦波

(5)x(t)為正弦波含噪聲,r(t)為方波(6)x(t)與r(t)均為方波(1)x(t)與r(t)均為正弦波幅頻特性和相頻特性等效噪聲帶寬一階RC低通濾波器的等效噪聲帶寬為：1/(4RC)相敏檢測器的等效噪聲帶寬為其兩倍,(2)x(t)為正弦波,r(t)為方波(3)x(t)為正弦波含單頻噪聲,r(t)為正弦波(4)x(t)為正弦波含窄帶噪聲,r(t)為正弦波窄帶噪聲及其正交分量的功率譜密度函數(shù)(4)x(t)為正弦波含窄帶噪聲,r(t)為正弦波x(t)為正弦波含窄帶噪聲情況下的信噪改善比

Bi為相敏檢波器前的選頻放大器的帶寬,也是輸入到相敏檢測器的窄帶噪聲的帶寬.Be為相敏檢測器的等效噪聲帶寬.(1)Be可做到很窄,Bi不可能太窄,從而使得相敏檢測器的信噪改善比較大,具有很好的抑制噪聲作用.(2)即使Be=Bi,相敏檢測器的相敏特性也對不同相位的噪聲具有一定的抑制作用,噪聲和信號同頻又同相的概率很低.x(t)為正弦波含窄帶噪聲情況下的信噪改善比

(3)上式表明,只要,就可以得到很大的信噪改善比.實(shí)際應(yīng)用中,模擬乘法器有可能進(jìn)入其非線性區(qū),稱之為PSD過載,這時(shí)輸出信噪比會(huì)迅速惡化.(4)太大的時(shí)間常數(shù)必然使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢,而且對被測信號的高頻成份衰減較大.(5)x(t)為正弦波含噪聲,r(t)為方波方波為參考信號的相敏檢測器的諧波響應(yīng)消除諧波響應(yīng)不利影響的最常用方法,是在信號通道中加入中心頻率為的帶通濾波器,利用其窄帶濾波作用濾除各高次諧波處的噪聲.(6)x(t)和r(t)都為方波4.2.2電子開關(guān)型相敏檢測器

模擬乘法器型相敏檢測器的缺點(diǎn):

(1)為了保證輸出信號具有一定的精度,必須保證參考信號的幅度保持更高級的精度,這在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可能有一定的困難;(2)有的模擬乘法器器件還存在一定的非線性,會(huì)導(dǎo)致大的輸出誤差.因此,目前定型的鎖定放大器商業(yè)產(chǎn)品均采用開關(guān)式相敏檢測器.4.2.2電子開關(guān)型相敏檢測器

開關(guān)式相敏檢測器的優(yōu)點(diǎn):輸出幅度不受參考輸入信號幅度的影響,而且沒有非線性的問題,動(dòng)態(tài)范圍大,抗過載能力強(qiáng);(2)電路簡單,運(yùn)行速度快,有利于降低成本和提高系統(tǒng)的工作速度.(1)變壓器式電子開關(guān)相敏檢測器a.要注意變壓器特性（頻率特性、分布參數(shù)特性）對相敏檢測器輸出的影響；b.要采用高質(zhì)量、低損耗的鐵芯材料；c.要采取必要的屏蔽措施。(2)運(yùn)放式電子開關(guān)相敏檢測器a.要注意電子開關(guān)速度對工作頻率的限制，以及電子開關(guān)注入電荷的不利影響；b.要注意運(yùn)放的工作速度、失調(diào)電壓對輸出的影響；c.要確保反相和正相放大器的放大倍數(shù)相同，動(dòng)態(tài)特性相似；d.電子開關(guān)K的控制端波形必須是嚴(yán)格的方波。(3)電子開關(guān)相敏檢測器的鑒相特性(4)開關(guān)式相敏檢測器與全波整流的不同被測慢變信號放大了的調(diào)制信號解調(diào)輸出信號全波整流輸出波形4.3鎖定放大器的組成與部件(1)信號通道

信號通道對輸入的幅度調(diào)制正弦信號進(jìn)行交流放大、濾波等處理.(1)前置放大器必須具備低噪聲,高增益的特點(diǎn),而且動(dòng)態(tài)范圍要大;(2)需要設(shè)計(jì)和制作針對不同傳感器的前置放大器;(3)帶通濾波器的設(shè)計(jì)；(4)放大器的增益可調(diào)。(2)參考通道

參考通道的功能是為相敏檢測器提供與被測信號相干的控制信號.(1)參考通道輸入端一般都包括放大或衰減電路,以適應(yīng)各種幅度的參考輸入;(2)參考通道的輸出可以是正弦波,也可以是方波.為了防止r(t)的幅度漂移影響鎖定放大器的輸出精度,最好采用方波開關(guān)信號,用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)相敏檢測;(3)移相電路的設(shè)計(jì),用模擬門積分比較器或鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)。(3)低通濾波器

鎖定放大器改善信噪比的作用主要由低通濾波器實(shí)現(xiàn).(1)LPF的時(shí)間常數(shù)越大,LIA的通頻帶寬度越窄,抑制噪聲的能力越強(qiáng);(2)直流放大器的輸入失調(diào)電壓要小,溫度漂移和時(shí)間漂移也要小.LPF的拐點(diǎn)頻率做成可調(diào)的,以適應(yīng)不同的被測信號頻率特性的需要;(3)LIA的各部分電路必須采取必要的屏蔽和接地措施.4.3.1正交矢量型鎖定放大器4.3.2外差式鎖定放大器4.3.3微機(jī)化數(shù)字式相敏檢測器

優(yōu)點(diǎn):數(shù)字式濾波器的等效噪聲帶寬可以做到非常窄,為檢測更微弱的信號提供了可能;為測量低頻信號提供了可能;具有很高的線性度;具有很好的靈活性.4.3.3微機(jī)化數(shù)字式相敏檢測器4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)

滿刻度輸出時(shí)的輸入電平FS過載電平OVL

最小可測信號MDS輸入總動(dòng)態(tài)范圍輸出動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備

4.5.1主要性能指標(biāo)4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)

滿刻度輸出時(shí)的輸入電平FS

滿刻度輸出時(shí)的輸入電平FS表征了鎖定放大器的測量靈敏度,它取決于系統(tǒng)的總增益.例如,如果系統(tǒng)的總增益為108,滿刻度輸出為10V,則其FS輸入電平為0.1uV,FS為允許信號峰值.

4.5.1主要性能指標(biāo)4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)

(2)過載電平OVL

定義為使LIA任何一級出現(xiàn)臨界過載的輸入信號電平.當(dāng)輸入信號或噪聲的幅值超過過載電平時(shí),系統(tǒng)將引起非線性失真.過載電平為允許的輸入噪聲最大峰值.

4.5.1主要性能指標(biāo)4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)(3)最小可測信號MDS

定義為能辨別的最小輸入信號,是測量值的下限.MDS主要取決于系統(tǒng)漂移,輸出端的漂移量折合到輸入端即為MDS.4.5.1主要性能指標(biāo)4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)(4)輸入總動(dòng)態(tài)范圍

4.5.1主要性能指標(biāo)(5)輸出動(dòng)態(tài)范圍(6)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)輸入總動(dòng)態(tài)范圍=輸出動(dòng)態(tài)范圍+動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備

4.5.1主要性能指標(biāo)4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)

4.5.2動(dòng)態(tài)范圍與頻率的關(guān)系4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)4.5.3動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)

動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)：直流增益和交流增益如何分配的問題4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)高穩(wěn)定工作狀態(tài)下,被測信號的動(dòng)態(tài)范圍較大,但是噪聲很容易使PSD過載,適用于輸入信噪比比較高的情況.

高儲(chǔ)備狀態(tài)下,LIA中的PSD不易過載,鎖定放大器具有良好的抵御噪聲能力,但是被測信號的動(dòng)態(tài)范圍較小.4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)(a)、(b)的滿量程都是10mV，不過由于增益的分配不同，所以輸入噪聲限幅電平在(a)中為20VP-P，在(b)中為2VP-P。所以(a)的DR=66dB，(b)的DR=46dB。4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)例1：鎖定放大器的動(dòng)態(tài)范圍要多大才好？

（1）非常低的MDS，大概在10-4FS數(shù)量級以下；（2）十分高的過載電平，加帶通放大器使動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備達(dá)到105。（3）十分寬廣的總動(dòng)態(tài)范圍，達(dá)108以上。（4）在任何給定條件下，都可以控制動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，使測量最佳化。例2:鎖定放大器的參考頻率為1kHz，信號通道無濾波器時(shí)，OVL=100FS。設(shè)寬帶高斯分布干擾噪聲的帶寬為40kHz，均方根值為340FS（峰值近似為3*340FS=1020FS）。在信號通道中加入BPF，以使該噪聲不至于引起鎖定放大器過載，試求BPF的等效噪聲帶寬Be.（Be=1.57*f/Q)4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)4.5性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)4.6鎖定放大器應(yīng)用在鎖定放大器應(yīng)用中需要考慮下列幾個(gè)問題:(1)LIA的功能相當(dāng)于一種抑制噪聲能力很強(qiáng)的交流電壓表,輸入是正弦波或方波交流信號,輸出是輸入波形幅值的直流信號.如果被測信號不是交流信號,則需要用調(diào)制或斬波的方式將其變換成交流信號.(2)LIA中PSD后續(xù)的LPF常用積分器來實(shí)現(xiàn),積分器的時(shí)間常數(shù)決定了LIA的等效噪聲帶寬,也決定了LIA所實(shí)現(xiàn)的信噪改善比SNIR.積分器的時(shí)間常數(shù)越大,等效噪聲帶寬越窄,SNIR越大,所需的測量時(shí)間也就越長.4.6鎖定放大器應(yīng)用在鎖定放大器應(yīng)用中需要考慮下列幾個(gè)問題:(3)要根據(jù)信號和噪聲的具體情況適當(dāng)?shù)胤峙銵IA的交流增益和直流增益.如果信號的動(dòng)態(tài)范圍大,而噪聲又不很嚴(yán)重,就應(yīng)該使LIA工作在高穩(wěn)定狀態(tài);如果噪聲嚴(yán)重,為了使LIA能夠正常工作,則必須