锁相放大器的原理实验报告

锁相放大器的原理实验报告

摘要：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。

关键词：锁相放大器；微弱信号放大；PSD输出波形；谐波响应

一、引言

随着科学技术的发展，科学研究领域向宏观和微观不断深入，常常需要检测极微弱的信号，如物理学中的表面物理特性，光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱，生物学中的细胞发光特性、生物电的测量等。在这些测量过程中，待测的微弱信号常常淹没在强大的背景噪声之中，使用常规的检测手段就无法达到目的。而且随着科学的发展，对实验数据的可靠性、准确性、精确性的要求也越来越高，因此，微弱信号的检测就越来越重要，自60年代初开始，关于信号检测与处理的技术开始产生并迅速发展，现已逐渐形成一专门的边缘科学，在物理、化学、生物、天文、地质、医学、材料等学科领域得到广泛应用。

锁相放大器（Lock-In Amplifier，简写为LIA）就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号,能测量到输入信噪比低至10-5的微弱正弦量。自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。目前全世界已有多个厂家生产该仪器

本实验使用由南京微弱信号检测中心研制的微弱信号综合实验仪来介绍锁相放大器的基本工作原理与使用方法，通过本实验可以了解锁相放大器的基本特点和应用方向。

二、实验

(一)实验原理

锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度。

(二)实验内容

1.参考信号通道的特性研究

调节多功能信号源的输出信号为正弦波，用频率计测量其频率，用交流直流噪声电压表测量信号的幅度，调节输出信号的频率为1kHz左右，幅度大小为100mV左右。按下宽带移相器0度移相按钮，调节0度~100度相位调节按钮，用示波器观察宽带移相器的输入和输出信号的波形的变化，最后使相位差计显示参考信号和输入信号的相位差分别为0度、90度、180度、270度对比画出宽带移相器的输入和输出信号的波形。

改变信号的幅值和频率，观察同相输出信号幅值和频率的变化，并做简要分析。

调节信号源，使输出波形分别为三角波和方波，重复上述观测。

2.相敏检波器的特性研究及主要参数测量

a.相敏检波器PSD输出波形和电压测量

按图接线，置交流放大倍数为×1，直流放大倍数为×10，相关器低通滤波时间常数置1秒，调节宽带移相器的相移量，用示波器观察信号、参考信号及PSD的输出波形并分析它们之间的关系，测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间幅值及相位差的关系，用相位计测量值大小，在0度~360度范围内作PSD输出直流信号Udc和输入信号Ui的比值

Udc/Ui与相位差的关系曲线度与理论公式对比（必须有0度、90度、180度、270度以及直流输出最大和最小的数据）。

其中Udc为相关器输出直流电压，Kac为交流放大倍数，Kdc为直流放大倍数，

为输入信号的幅值，为相位差。

b.相关器的谐波响应的测量与观察

将宽带移相器的输入信号接至多功能信号源的“倍频.分频输出”，多功能信号源功能“选择”置“分频”，此时，参考信号的频率为信号频率的1/n次倍。

先置分频数为1，调节移相器的相移，使输出直流电压最大，记录输出直流电压的大小。改变n的数值分别为2,3,4,5......，进行上述测量，根据测量结果画出相关器对谐波的响应图。

c.相干器对不相关信号的抑制

多功能信号源的输出正弦信号为相关器的输入信号，低频信号源的输出信号作为相关器的干扰信号，由相关器的“噪声输入”端输入。由示波器观察相关器的“加法器输出”波形与“PSD输出”波形，用电压表测量输入信号，干扰信号，相关器输出信号大小，由频率计测量信号和干扰信号的频率。

选择相关器的交流放大倍数为×1，直流放大倍数为×10，时间常数1秒，调节多功能信号源的频率为200Hz(可以任选)，电压为100mV，调节低频信号源的输出电压为0(即相关器输入信号不混有干扰信号)，调节宽带相移器的相移量，使相关器输出的直流电压最大。记录“加法器输出”，“PSD输出”波形及相关器输出的直流电压(正比于输入信号的有效值)。调节低频信号源的输出电压为300mV，即干扰电压为待测量信号压的3倍。任选一工作频率(例如为930Hz)。由示波器观察“加法器输出”“PSD输出波形”，观测此时被测信号与干扰信号波形及相关器的输出直流电压变化。改变干扰信号的频率，观察相关器对不相关信号的抑制能力，对实验现象进行总结，分析相关器抑制干扰的能力。

二、实验结果的讨论和分析

1.参考信号通道特性研究

利用多功能信号源输出正弦波，其频率为786.98hz，电压的有效值为101mV，峰峰值为304mv，调节相移器的0度、90度、180度、270度移相按钮，示波器ch1通道是输入的正弦波形，ch2通道输出的是通过移相器后的信号波形，记录如下：

调节0°~100°相位调节旋钮，增大移相的角度时，波形没有变化，方波略向左移。

当增大输入信号的幅值时， ch2通道的输出信号的电压幅度不变，其峰峰值一直为10V。

当改变输入信号的频率时，ch1通道的输入信号和ch2通道的输出信号的频率同时改变，而振幅不变，但两者的频率一直保持相等。

出现以上现象的原因是：通常通过移相器产生的信号是与原信号同频率的占空比为1:1的方波信号，方波的幅度为1，不会随着输入信号的幅度而发生改变，但是移相器移动角度，会使所得方波发生移动。

2.相敏检波器的特性研究及主要参数测量