锁相放大器的使用
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②、相关器的谐波响应的测量与观察
n=1n=2
n=3n=4
图九谐波响应的各点波形
由实验原理可以得到，奇次谐波成分得到的直流分量满足该理论公式：
n
实验值
理论值
1
0.788
0.906
2
0.01
0
3
0.256
0.263
4
0.01
0
5
0.17
0.157
在此次中 为零， 等于0.788*π/2，偶次谐波的直流分量为零，在本实验中得到验证。
4.实验结论
本实验研究了锁相放大器的工作参数和特性。实验验证了宽带相移器输出的参考信号的频率与输入信号的频率相同；参考信号的幅度不随输入信号的幅度变化而变化；无论输入信号是正弦波、三角波和方波，参考信号都是占空比为1:1的方波；验证了相关器直流输出电压 与相位角余弦 成正比；验证了被测信号的奇次谐波成分在输出中的比例为 ，并研究了相关器对奇次谐波的抑制能力有一定的限度；测量了相关器在不同时间常数的信噪比改善。
③相关器对噪声的抑制及信噪比改善测量
实验数据及相关计算结果如表四：
表四不同时间常数下相关器的信噪比改善
输入信号电压
50mV
白噪声输入电压
105mV
输入信噪比
0.48
时间常数RC
信号电压V
噪声电压V
输出信噪比
信噪比改善
0.1s
5.75
1.55
3.71
7.79
1s
5.74
1.53
3.75
7.88
10s
5.64
②相关器对不相关信号的抑制
相位差为0°时，加法器输出波形和PSD输出波形如图十所示。
图十加法器输出波形和PSD输出波形
表三噪声电压与干扰信号频率的关系
输入信号
频率（Hz）
干扰信号频率（Hz）
噪声电压（V）
200
200.91
0.478
200
205.02
0.058
200
596.60
0.006
200
600.36
图五输入方波，参考信号和输入信号相位差分别为0°、90°、180°、270°
分析以上实验可得出以下结论：
1)输入信号的峰峰值约为0.6V，而参考信号的峰值为9V，说明宽带相移器对参考信号有放大作用；参考信号的幅度不随输入信号的幅度变化而变化，说明宽带相移器经过内部电路对信号的放大，输出的是一个较为稳定的电压值，不随输入信号变化；
实验记录输出直流电压udc与输入信号幅值和相位差的关系：
表一 输出直流电压udc与输入信号幅值的关系
输入信号幅值（mv）
262
210
154
112
直流电压udc（v）
-38
-44
-50
-55
图七udc与输入信号幅值的关系
表二输出直流电压udc与输入信号和参考信号相位差的关系
φ
2
56
87
123
174
210
1.66
3.40
7.13
结果分析：
（1）总体来看，在这台仪器上，时间常数RC对信噪比改善的影响较小，没有明显的作用。时间常数为1s时的信噪比改善与0.1s的信噪比改善十分接近；时间常数为10s的信噪比改善比1s时的信噪比改善小一些。
（2）由于噪声的不稳定性，使得实验噪声电压的测量不是很准确，在测量时，可以在一定时间内观察噪声电压的大小，记录数据后取平均值，这样可以减小误差。
①、相敏检波器PSD输出波形和电压测量
实验得出PSD输出信号及参考信号在位差φ=0°、90°、180°、270°时的波形如下：
0°90°
180°270°
图六PSD输出信号及参考信号在位差φ=0°、90°、180°、270°时的波形
由以上可得：PSD直流输出电压即PSD输出波形的平均值，这说明了相关器的工作原理为：它将从信号通道输出的被测交流信号和从参考通道输出的方波进行相乘和积分后转换成直流信号。
0.16
200
1006.77
0.138
结果分析：
（1）相位差为0°时，相关器的直流输出最大为1.009V,此时PSD波形如上图所示
（2）可观察到干扰信号的频率为输入信号的奇数倍时，噪声电压输出不为零，其余情况为零，这表明被测信号中的奇次谐波成分在输出信号中仍占有一定比例，或说PSD-LPF系统对奇次谐波的抑制能力有一定限度。
2)宽带相移器输出的参考信号的频率随输入信号频率变化而变化，因为宽带相移器不改变输入其中的信号的频率，输出的是同频率的参考信号。
3)无论输入信号是正弦波、三角波和方波，参考信号都是占空比为1:1的方波，说明宽带相移器把被测信号的任何一种波形转换为占空比为1:1的方波；
二、相敏检波器特性研究及主要参数测量
265
318
347
cosφ
0.999
0.56
0.053
-0.54
-0.994
-0.867
-0.089
0.741
0.974
直流电压udc（v）
789
340
23
-400
-800
-768
-46
575
767
0~ππ~2π
图八输出直流电压udc与输入信号和参考信号相位差的关系
有上图可以看出，直流电压输出与输入信号的源自文库值成正比，与相位角余弦值有线性关系，但是由于相位计的读数有偏差，导致直流输出电压在相位角为0~π和π~2π时与相位角的余弦的线性关系有微小的区别。为了表示直流输出电压与相位角余弦值的线性关系，将0~π和π~2π的图像分开。在实验误差的范围之内，直流输出电压 与相位角余弦 成正比，验证了公式
锁相放大器的使用
指导教师：原如领实验日期：2010-3-18
【锁相放大器基本原理及其结构】
与上方的输入端输入待测信号，先后经放大和带通滤波后与从下方的参考信号输入端输入的设定过相位的参考信号共同输入乘法器得到的结果再通过低通滤波器滤波后输出。
图一锁相放大器基本原理
图二锁相放大器基本结构
【用途】
即使有用的信号被淹没在噪声信号里面，即使噪声信号比有用的信号大很多，只要知道有用的信号的频率值，就能准确地测量出这个信号的幅值。
【实验数据记录及其处理】
一、参考信号通道特性研究
当输入信号分别为正弦波、三角波、方波时，得到的输入输出信号如下图所示：
0°90°
180°270°
图三输入正弦波，参考信号和输入信号相位差分别为0°、90°、180°、270°
0°90°
180°270°
图四输入三角波，参考信号和输入信号相位差分别为0°、90°、180°、270°
n=1n=2
n=3n=4
图九谐波响应的各点波形
由实验原理可以得到，奇次谐波成分得到的直流分量满足该理论公式：
n
实验值
理论值
1
0.788
0.906
2
0.01
0
3
0.256
0.263
4
0.01
0
5
0.17
0.157
在此次中 为零， 等于0.788*π/2，偶次谐波的直流分量为零，在本实验中得到验证。
4.实验结论
本实验研究了锁相放大器的工作参数和特性。实验验证了宽带相移器输出的参考信号的频率与输入信号的频率相同；参考信号的幅度不随输入信号的幅度变化而变化；无论输入信号是正弦波、三角波和方波，参考信号都是占空比为1:1的方波；验证了相关器直流输出电压 与相位角余弦 成正比；验证了被测信号的奇次谐波成分在输出中的比例为 ，并研究了相关器对奇次谐波的抑制能力有一定的限度；测量了相关器在不同时间常数的信噪比改善。
③相关器对噪声的抑制及信噪比改善测量
实验数据及相关计算结果如表四：
表四不同时间常数下相关器的信噪比改善
输入信号电压
50mV
白噪声输入电压
105mV
输入信噪比
0.48
时间常数RC
信号电压V
噪声电压V
输出信噪比
信噪比改善
0.1s
5.75
1.55
3.71
7.79
1s
5.74
1.53
3.75
7.88
10s
5.64
②相关器对不相关信号的抑制
相位差为0°时，加法器输出波形和PSD输出波形如图十所示。
图十加法器输出波形和PSD输出波形
表三噪声电压与干扰信号频率的关系
输入信号
频率（Hz）
干扰信号频率（Hz）
噪声电压（V）
200
200.91
0.478
200
205.02
0.058
200
596.60
0.006
200
600.36
图五输入方波，参考信号和输入信号相位差分别为0°、90°、180°、270°
分析以上实验可得出以下结论：
1)输入信号的峰峰值约为0.6V，而参考信号的峰值为9V，说明宽带相移器对参考信号有放大作用；参考信号的幅度不随输入信号的幅度变化而变化，说明宽带相移器经过内部电路对信号的放大，输出的是一个较为稳定的电压值，不随输入信号变化；
实验记录输出直流电压udc与输入信号幅值和相位差的关系：
表一 输出直流电压udc与输入信号幅值的关系
输入信号幅值（mv）
262
210
154
112
直流电压udc（v）
-38
-44
-50
-55
图七udc与输入信号幅值的关系
表二输出直流电压udc与输入信号和参考信号相位差的关系
φ
2
56
87
123
174
210
1.66
3.40
7.13
结果分析：
（1）总体来看，在这台仪器上，时间常数RC对信噪比改善的影响较小，没有明显的作用。时间常数为1s时的信噪比改善与0.1s的信噪比改善十分接近；时间常数为10s的信噪比改善比1s时的信噪比改善小一些。
（2）由于噪声的不稳定性，使得实验噪声电压的测量不是很准确，在测量时，可以在一定时间内观察噪声电压的大小，记录数据后取平均值，这样可以减小误差。
①、相敏检波器PSD输出波形和电压测量
实验得出PSD输出信号及参考信号在位差φ=0°、90°、180°、270°时的波形如下：
0°90°
180°270°
图六PSD输出信号及参考信号在位差φ=0°、90°、180°、270°时的波形
由以上可得：PSD直流输出电压即PSD输出波形的平均值，这说明了相关器的工作原理为：它将从信号通道输出的被测交流信号和从参考通道输出的方波进行相乘和积分后转换成直流信号。
0.16
200
1006.77
0.138
结果分析：
（1）相位差为0°时，相关器的直流输出最大为1.009V,此时PSD波形如上图所示
（2）可观察到干扰信号的频率为输入信号的奇数倍时，噪声电压输出不为零，其余情况为零，这表明被测信号中的奇次谐波成分在输出信号中仍占有一定比例，或说PSD-LPF系统对奇次谐波的抑制能力有一定限度。
2)宽带相移器输出的参考信号的频率随输入信号频率变化而变化，因为宽带相移器不改变输入其中的信号的频率，输出的是同频率的参考信号。
3)无论输入信号是正弦波、三角波和方波，参考信号都是占空比为1:1的方波，说明宽带相移器把被测信号的任何一种波形转换为占空比为1:1的方波；
二、相敏检波器特性研究及主要参数测量
265
318
347
cosφ
0.999
0.56
0.053
-0.54
-0.994
-0.867
-0.089
0.741
0.974
直流电压udc（v）
789
340
23
-400
-800
-768
-46
575
767
0~ππ~2π
图八输出直流电压udc与输入信号和参考信号相位差的关系
有上图可以看出，直流电压输出与输入信号的源自文库值成正比，与相位角余弦值有线性关系，但是由于相位计的读数有偏差，导致直流输出电压在相位角为0~π和π~2π时与相位角的余弦的线性关系有微小的区别。为了表示直流输出电压与相位角余弦值的线性关系，将0~π和π~2π的图像分开。在实验误差的范围之内，直流输出电压 与相位角余弦 成正比，验证了公式
锁相放大器的使用
指导教师：原如领实验日期：2010-3-18
【锁相放大器基本原理及其结构】
与上方的输入端输入待测信号，先后经放大和带通滤波后与从下方的参考信号输入端输入的设定过相位的参考信号共同输入乘法器得到的结果再通过低通滤波器滤波后输出。
图一锁相放大器基本原理
图二锁相放大器基本结构
【用途】
即使有用的信号被淹没在噪声信号里面，即使噪声信号比有用的信号大很多，只要知道有用的信号的频率值，就能准确地测量出这个信号的幅值。
【实验数据记录及其处理】
一、参考信号通道特性研究
当输入信号分别为正弦波、三角波、方波时，得到的输入输出信号如下图所示：
0°90°
180°270°
图三输入正弦波，参考信号和输入信号相位差分别为0°、90°、180°、270°
0°90°
180°270°
图四输入三角波，参考信号和输入信号相位差分别为0°、90°、180°、270°