鎖定放大器及其在實(shí)際中的應(yīng)用演示文稿

鎖定放大器及其在實(shí)際中的應(yīng)用演示文稿第一頁，共四十一頁。優(yōu)選鎖定放大器及其在實(shí)際中的應(yīng)用第二頁，共四十一頁。第四章鎖相放大器第三頁，共四十一頁。1.概述自從1962年，美國EG&GPARC公司制作了第一臺鎖相放大器(LIA)的后，微弱信號檢測技術(shù)得到了突破性的發(fā)展。后來又出現(xiàn)了模擬鎖相放大器(ALIA)和數(shù)字鎖相放大器(DLIA)。對于數(shù)字鎖相放大器而言，又出現(xiàn)基于單片機(jī)的DLIA和基于專用DSP的DLIA。還有基于PC的系統(tǒng)級模塊化DLIA，這種鎖相的算法是采用C，C++等語言實(shí)現(xiàn)的。由于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在PC平臺上，所以可以使用各種仿真軟件對算法進(jìn)行研究。模擬鎖相放大器數(shù)字鎖相放大器第四頁，共四十一頁。2.鎖定放大器抑制噪聲的基本出發(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；鎖定放大器對信號頻譜進(jìn)行遷移的過程（a）調(diào)制過程（b）相敏檢測過程第五頁，共四十一頁。(2)利用相關(guān)器實(shí)現(xiàn)對調(diào)制信號的解調(diào)，同時(shí)檢測頻率和相位，噪聲與信號同頻又同相的概率很??；通過數(shù)算在某時(shí)間間隔τ內(nèi)重復(fù)事件發(fā)生的次數(shù)n，就可以獲得這重復(fù)事件發(fā)生的頻率:f=n/τ第六頁，共四十一頁。（3）利用低通濾波器(Low-PassFilter,LPF)來抑制噪聲，低通濾波器的頻帶可以做的較窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也大大地提高。定義：讓某一頻率以下的信號分量通過，而對該頻率以上的信號分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置。第七頁，共四十一頁。3.鎖相放大器的基本原理鎖相放大器是以相關(guān)檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，利用互相關(guān)的原理設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測儀。它是一種對檢測信號和參考信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備，利用參考信號頻率與輸入信號頻率相關(guān)，與噪聲頻率不相關(guān)，從而從噪聲中提取有用信號。它是把交流分量放大并變成相應(yīng)的直流信號輸出。是從強(qiáng)噪聲中提取弱信號的重要手段。在國外常把這類儀器稱為鎖定放大器(Lock-inAmplifier)?？衫斫鉃?把待測信號中與參考信號同步的信號放大并檢測出來。第八頁，共四十一頁。經(jīng)過調(diào)制ωm送入鎖相放大器λ(t)I信號恢復(fù)λ(t)I隨時(shí)間緩變的信號信號輸入?yún)⒖夹盘枽豰輸出信號（與信號幅度成正比，與相對相位有關(guān)）Lock-in鎖相放大器的工作過程第九頁，共四十一頁。斬光器，通常調(diào)制頻率為幾百赫茲第十頁，共四十一頁。兩個(gè)具有確定頻率和相位的周期性信號，它們的相關(guān)特性可以用互相關(guān)函數(shù)來表達(dá)：互相關(guān)函數(shù)式中f1(t)

和f2(t)為兩個(gè)周期信號，τ為兩個(gè)信號之間的任意延遲時(shí)間，T為平均積分時(shí)間（或稱為時(shí)間常數(shù)）。第十一頁，共四十一頁。

可以證明，只有當(dāng)f1(t)和f2(t)為同頻信號時(shí)，才可能有較大的輸出值。鎖相放大器正是利用了這個(gè)特性，在隨時(shí)間的演變過程中兩個(gè)同頻信號可以相互關(guān)聯(lián)，而噪聲作為隨機(jī)變量與被測信號不相關(guān)聯(lián)，經(jīng)過長時(shí)間積分平均后對周期性重復(fù)信號的累計(jì)要比對隨機(jī)噪聲的累計(jì)大得多，從而有可能將深埋于噪聲背景中的信號取出，這就是相關(guān)檢測方法能提高信噪比的原因。第十二頁，共四十一頁。我們可以按照上式來設(shè)計(jì)一個(gè)電路，其方框圖如下，f1(t)和f2(t)為周期函數(shù)：相關(guān)檢測方框圖f1(t)f2(t)延時(shí)器τ乘法器積分器T輸出第十三頁，共四十一頁。如果兩個(gè)信號的頻率分別為ω1和ω2，并記為：S1(t)和S2(t)的互相關(guān)函數(shù)為：第十四頁，共四十一頁。相關(guān)檢測的輸出信號：兩個(gè)信號頻率不等的情況下，經(jīng)過長時(shí)間積分平均后輸出必定為零，說明頻率不等的兩個(gè)信號是不相關(guān)的。只有當(dāng)兩個(gè)信號頻率完全相等（ω1=ω2）時(shí)，才有相關(guān)信號輸出：第十五頁，共四十一頁。上式說明當(dāng)輸入信號與參考信號頻率相等時(shí)，相關(guān)檢測的輸出信號與輸入信號的幅度V1(t)成正比，還與兩個(gè)信號的相對相位Δφ

有關(guān)。鎖相放大器就是基于相關(guān)檢測的原理，將與參考信號同頻的信號檢測出來，而把與參考信號不同頻的噪聲或干擾信號抑制掉，從而提高了測量的信噪比。第十六頁，共四十一頁。鎖相放大器采用的是外差式振蕩技術(shù)，它把被測量的信號通過頻率變換的方式轉(zhuǎn)變成為直流。即利用鎖相放大器中的信號相關(guān)原理，對兩個(gè)混有噪聲的周期信號進(jìn)行相乘和積分處理后，將信號從噪聲中檢測出來，并達(dá)到通過互相關(guān)運(yùn)算削弱噪聲影響的目的。鎖相放大器的工作原理第十七頁，共四十一頁。如果是一個(gè)2Hz和一個(gè)0.1Hz的信號相乘，用乘法器相乘得到的結(jié)果是一個(gè)交流調(diào)制波，基頻是2Hz，幅頻是0.1Hz只有與參考信號頻率完全一致的信號才能在乘法器輸出端得到直流偏量，其他信號在輸出端都是交流信號。如果在乘法器的輸出端加一個(gè)低通濾波器，那么所有的交流信號分量全部被濾掉，剩下的直流分量就只是正比于輸入信號中的特定頻率的信號分量的幅值。第十八頁，共四十一頁。圖為典型的鎖相放大器原理構(gòu)成圖。一般鎖相放大器的組成分為三部分:信號通道、參考通道和相關(guān)器。被檢測的信號往往是很微弱的，并且伴隨的噪聲很大。信號通道的作用是將伴有噪聲的微弱信號放大到足以推動相關(guān)器工作的電平，并兼有抑制和濾除部分干擾及噪聲功能，從而擴(kuò)大儀器的動態(tài)范圍。因此信號通道位于相關(guān)器之前，它由輸入變壓器、低噪聲前置放大器、各種功能的有源濾波器和主放大器等組成。傳統(tǒng)鎖相放大器的構(gòu)成原理第十九頁，共四十一頁。

通常鎖定放大器的參考通道輸出是和信號同步的對稱方波或正弦波，用以驅(qū)動相關(guān)器的場效應(yīng)管開關(guān)。參考通道主要由觸發(fā)電路、倍頻電路、相移電路、方波形成電路及驅(qū)動電路組成。參考觸發(fā)信號可在儀器內(nèi)部產(chǎn)生，也可從外部輸入，大部分產(chǎn)品由外部輸人。輸入波形可以是正弦波、方波、三角波、脈沖波等各種周期信號。

相關(guān)器是一種完成被測信號與參考信號兩者互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算的電子線路。它必須具有動態(tài)范圍大、漂移小、時(shí)間常數(shù)可調(diào)、線性好、增益穩(wěn)定和曲率范圍寬等性能。由相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，需要一個(gè)乘法器和積分器實(shí)現(xiàn)這一數(shù)學(xué)運(yùn)算，從理論上講用一個(gè)模擬乘法器和一個(gè)積分時(shí)間為無窮大的積分器，就可以把深埋在任意噪聲中的微弱信號檢測出來。第二十頁，共四十一頁。相敏檢測器（相關(guān)器）是鎖定放大器的核心部件，它實(shí)現(xiàn)了被測信號與參考信號的互相關(guān)運(yùn)算。相敏檢測器有模擬乘法器式和電子開關(guān)式，其中電子開關(guān)式相敏檢測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(yīng)用。電子開關(guān)式相敏檢測器的輸出等效為被測信號與幅度為1、占空比為50％的方波信號r(t)的乘積。設(shè)輸入信號為：根據(jù)傅立葉變換，r(t)可用三角函數(shù)的形式表示：r(t)與相乘的結(jié)果為：第二十一頁，共四十一頁。式右邊的第一項(xiàng)為差頻項(xiàng)，第二項(xiàng)為和頻項(xiàng)。經(jīng)過低通濾波器（LPF），所有的和頻項(xiàng)與n>1的差頻項(xiàng)都被濾除，最后濾波器的輸出為：說明被測信號通過相敏檢測器(PSD)和低通濾波器(LPF)后，輸出正比于被測信號的幅度、同時(shí)正比于參考信號與被測信號的相位差的余弦函數(shù)，此時(shí)，輸出最大。第二十二頁，共四十一頁。第二十三頁，共四十一頁。適合于鎖相放大器檢測的信號應(yīng)該是單頻率的，或者說傳導(dǎo)頻譜所占寬度是較窄的，也就是要求信號所攜帶的檢測量(信息)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。第二十四頁，共四十一頁。在光譜測量中，經(jīng)常遇到的是一種幅度隨時(shí)間緩慢變化的連續(xù)型信號V1(t)。在采用鎖相放大器進(jìn)行檢測時(shí)，先要對此信號進(jìn)行某種調(diào)制，變換成一個(gè)與參考信號同頻率的交流信號，經(jīng)過鎖相放大器同頻相檢后，將一個(gè)與V1(t)成正比的放大信號恢復(fù)出來，而隨輸入信號一起攜帶進(jìn)來的干擾噪聲由于與參考信號頻率不同都被濾除了。例：光譜測量過程第二十五頁，共四十一頁。隨時(shí)緩慢變化的連續(xù)信號V1(t)經(jīng)過調(diào)制V1(t)sin(ωmt+φ1)經(jīng)過同頻參考信號解調(diào)和積分將V1(t)信號放大恢復(fù)出來鎖相放大器處理信號的過程第二十六頁，共四十一頁。斬光器，通常調(diào)制頻率為幾百赫茲第二十七頁，共四十一頁。光源斬光器探測器ωm參考信號Lock-in信號輸出信號測量過程Iλ(t)Iλ(t)ωm第二十八頁，共四十一頁。

在使用過程中須注意對相位的調(diào)整，只有在某個(gè)恰當(dāng)?shù)南辔粭l件下有最大幅度的輸出信號。此外，積分時(shí)間常數(shù)T

的選取也很重要，時(shí)間常數(shù)T越長，相當(dāng)于低通濾波器的帶寬越窄，對噪聲的抑制能力越強(qiáng)。但由于我們所測量的是一個(gè)幅度緩慢變化的信號V1(t)，它仍然占有一定的頻帶寬度，因此，低通濾波器就需要有一定的帶寬，保證該信號通過。如果時(shí)間常數(shù)T取得過長，低通濾波器帶寬過窄，將會引起信號V1(t)的失真。具體分析如下：第二十九頁，共四十一頁。鎖相放大器對信噪比的改善程度（輸出信噪比與輸入信噪比的比例）為式中Bn為相敏檢波器前的等效噪聲帶寬。相敏檢波器和隨后的低通濾波器可以被看成一個(gè)帶寬非常窄的組合濾波器，Δω

為低通濾波器的等效噪聲帶寬，由時(shí)間常數(shù)T來決定。這樣，鎖相放大器對信噪比的改善程度大致為103~106倍。第三十頁，共四十一頁。掃描單色儀聚焦透鏡PMT高壓電源記錄儀鎖相放大器參考信號信號斬光器Ne燈光譜燈電源輸出用鎖相放大器對Ne光譜進(jìn)行測量第三十一頁，共四十一頁。頻率調(diào)制光譜方框圖電光晶體吸收樣品探測器鎖相放大器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)制驅(qū)動源V參考輸入輸出掃描激光第三十二頁，共四十一頁。鎖相放大器（Lock-inamplifier)型號：EG&G5101型靈敏度：1V補(bǔ)償調(diào)節(jié)：10×滿度信號頻率：5Hz—100KHz時(shí)間常數(shù)：1ms—30s第三十三頁，共四十一頁。靈敏度：1μV—250mV；頻率范圍：5Hz—100kHz；輸入阻抗：1MΩ；輸出幅度：±1V，600Ω滿度；補(bǔ)償調(diào)節(jié)：±10×滿度信號；參考信號：不小于200mVP－P，最大不超過5VP－P，在1VP－P時(shí)，相位角指示絕對值最準(zhǔn)確；參考信號輸入阻抗：1MΩ；時(shí)間常數(shù)：1ms—30s可調(diào)。EG&G5101型鎖相放大器的參數(shù)第三十四頁，共四十一頁。

SR830鎖相放大器信號輸入模擬輸出參考信號正弦波輸出A通道顯示B通道顯示參考信號顯示第三十五頁，共四十一頁。SR830鎖相放大器靈敏度：2nV–1V；測量頻率：100KHz時(shí)間常數(shù)：10μs—30s；補(bǔ)償：10倍滿度值第三十六頁，共四十一頁。輸入滿刻度靈敏度2nV-1V；輸入阻抗10MΩ+25pF,AC或DC耦合；參考信號頻率范圍1mHz–102kHz；相位角度的誤差<1°；時(shí)間常數(shù)10μs–30s；內(nèi)置振蕩器頻率范圍1mHz–102kHz；調(diào)零補(bǔ)償范圍(offset)±105%×滿度值；輸出擴(kuò)展x和y可以被擴(kuò)展10至100倍。SR830鎖相放大器的主要指標(biāo)第三十七頁，共四十一頁。根據(jù)不同的用途可分類為：1.正交矢量型鎖定放大器同相輸出：正交輸出：

被測信的幅度和相位：第三十八頁，共四十一頁。2.外差式鎖定放大器避免信號頻率特性改變時(shí)使得信號的頻率位于帶通濾波器的邊沿，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定第三十九頁，共四十一頁。鎖相放大器的輸出信號中仍然會