双相锁定放大器实验教案.doc

课时安排： 5 学时教学课型：实验课

题目：

双相锁定放大器实验

教学目的要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：

通过实验，让学生达到以下目的：

1、了解双相锁定放大器的原理及框图。

2、根据典型框图，连接成双相锁定放大器。并测试双相锁定放大器的功能。

教学内容（注明：* 重点 # 难点？疑点）：

一、实验所用仪器：

1、ND—501型微弱信号综合装置A、B、C、D组合仪各一台

2、HB—602型精衰减器一台

3、示波器一台

4、信号线若干条

二、实验原理部分：

锁定放大器是以相干检测技术为基础，其核心部分是相关器，基本原理框图如图1所示。

*

图1 锁定放大器基本原理框图

图1所示的典型方框图分成三部分：信号通道（相关器前那一部分）。参考通道、相关器（包括直流放大器）。

1、信号通道

信号通道是相关器前的那一部分、包括低噪声前置放大器，各种功能的有源滤波器，主放大器等部分组成。作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器的动态范围。

信号通道要求低噪声和高增益的性能，前置放大器是锁定放大器的第一级，由于被测信号很小，可能是100nv到10nv甚至更小，则要求前置放大器必须具备低噪声的特点。否则将由于放大器本身的噪声将使信号淹没得更深。由于半导体低噪声器件不断改善和对低噪声

nV/的前置放大器，目前已研电路的研究，目前国内外已生产出输入端短路电压为几Hz

nV/数量级。

制出输入端短路噪声电压也能达到小于Hz

在测量中对于不同测量要采用不同的传感器，各种传感器的输出阻抗不一样，即对前置放大器而言就呈现出不同的信号源内阻。为了得到最佳噪声性能，必须使前置放大器工作在

图2 双相锁定放大器框图

三、实验内容

（a ）ND —501型微弱信号检测技术实验综合装置B 组合。 相关器实验盒 2个 宽带相移器实验盒 1个 选频放大器实验盒 1个 前置放大器实验盒 1个 多功能信号源实验盒 1个 相位计实验盒 1个 交流，直流，噪声电压表实验盒 1个 Vx ，Vy ～VA ，φ变换实验盒 1个 频率计实验盒 1个 电源机箱 4个 （b ）ND —601或HB —602型精衰减器 1个 （c ）双踪通用示波器 1个

t V s

s ωsin ˆ 信号输入

AC 放大与滤波

参考输入 f R

参考

通道

φR

φR +

2

π

乘法器

低通与DC 放大

正交相关器

乘法器

低通与DC 放大

同相相关器

ϕcos ˆs

x V K V = V x ,V y →V A ,φ 变换电路

同相输出

幅值输出

2

2y x A V V V +=

相位输出 x

y

V V arctg

=ϕ正交输出

ϕsin ˆs

y V K V =

图4 双相锁定放大器及测试框图

双相锁定放大器及测试框图如图4所示。图中虚线所框部分，低噪声前置放大器，选频放大器，相关器（同相），相关器（正交），Vx ，Vy ，VA ，φ交换电路，多功能信号源，宽带相移器七部分，组成一个完整的双相锁定放大器，其它部分为测试部分。

按图4用电缆连接，接通电源，预热二分钟。调节多功能信号源，输出正弦波，频率1KHZ 左右，电压100mV 。调节ND —602型精密衰减器，使衰减10000倍，输出电压为10μV 。输给前置放大器。前置放大器“增益”开关置100，“接地”“浮地”开关置“浮地”，“测量”“短路”开关置“测量”。选频放大器的“增益”开关置×10，Q 值置“3”，选频频率调到“1KHZ ”。两相关器的“交流放大倍数”均置×10，“直流放大倍数”均置×10，“时间常数”均置1S 。

首先用示波器从任一相关器的“加法器输出”观察信号通道放大后的信号波形，为正弦波。调节选频放大器的选频频率，细调×0.1和0.01档的波形开关和电位器，使示波器上观察到的波形幅度最大。然后，改Q 值为“30”，重复调节选频频率，使输出信号幅度最大，则选频放大器的选频中心频率为信号频率。用相位计测量宽带相移的“同相”和“正交”两输出方波的相位差为90º（可能有些误差）。改变示波器两探头分别测量同相相关器和正交相关器的PSD 输出波形，调节宽带相移的相移，使同相相关器的输入信号与参考信号同相，正交相关器的输入信号与参考信号相差90º，波形如图四所示。此时，用直角坐标——极坐标变换电路实验盒上的电压表，测量Vx 的输出直流电压为最大（1伏左右），Vy 的输出直流电压为零。改变宽带相移器相移90º，则有Vx=0，Vy 为最大。两相关器PSD 输出波形也发生相应变化。

前置放大器

输入 输出

选频放大器

输入 输出

相位计

信号输入 参考输入

频率计 输入

交、直流 噪声电压表 输入

衰减器

输出 输入1

输入2

多功能 信号源

正弦输出

相移器

输入 同相 正交

相关器(正交)

信号 输入

PSD

输出

参考输入 输出

示波器 Y 1 Y 2

V x ,V y ～V A ,V φ 电路

V x V A V y V φ

相关器(同相)

信号 输入

PSD

输出

参考输入 输出