锁定放大器学习资料

●而频率和方波相同的信号就成为直流输出。
●从实际物理过程上给予PSD以解释： 由于开关以一定的频率实现开和关， 只有和开关动作的频率相同且相位相同的 信号才能通过， 或者与开关动作频率成奇数倍的信号能通 过少量的信号， 但只剩下奇数倍分之一， 偶数倍的完全相互抵消了。
2 相关器的数学分析
相关检测法的原理： 通过相关运算，即利用一个乘法器和一个积 分器，可以从噪声中将微弱信号检测出来。 因此，从相关分析的理论来看，相敏检波器 及其后续的积分器也可认为是一个相关器。 从相关分析的理论来说，用一个模拟乘法器 和一个积分时间为无限长的积分器，可以从 任意大的噪声中将微弱信号检测出来。
1 信号通道
探测器输出的信号十分微弱，信噪比低于1/103。 信号被噪声和干扰所淹没，
首先经过低噪波器和陷波器将信号进行初步的 予处理，将带外噪声和干扰尽量排除，
再作进一步的放大，以便送到相关器进行检测，
●信号通道的组成十分灵活，可供使用者选择。 要看信号和噪声的实际情况而定。
此时为脉冲输出；
接上电容C1、C2，则输出信号经积分后波形平滑， 且输出为与输入幅度成正比的直流信号。
（2）特性分析 为了分析PSD的特性，用简图表示如下：
Vs
PSD
开关型乘法器
V0
Vs Es sin(1t 1)
VR
参考信号：方波
设VR是如图所示的周期矩形方波：
VR
E
2
T2 2
0
T2 2
T2
E
t
2
参考信号VR波形
2
2
T2
ER
E 2
1V
根据傅里叶级数展开式，有：
VR
4
n0
1 2n
1
s in[( 2n
1)
2t]
通过乘法器后：
V V V 0
s
R
Es
sin(1t
1
)
4
n0
1 2n
1
s
in[(
2n
1)
2t
]
n0
2Es
(2n 1)
cos {[1
(2n 1)2 ]t
1}
光电信号处理
第四章 锁定放大器
§4.1 引言
●理想的窄带滤波器→很好地改善信噪比
滤波器的带宽可以无限窄，趋近于零， 即滤波器的带宽可以做到点频， 只让某一个频率的信号通过，而且非常稳定， 其它频率的噪声都不能通过，只有某一个频 率的信号和噪声可以通过， 那么滤波器就可以极大地改善信噪比。
●实际的窄带滤波器： 带通滤波器的品质因素Q： 中心频率ω0 和带宽Δω之比， Q的定义为：
近几年，由于微型计算机的迅猛发展和普 及，以及它在各个领域的应用越来越广泛， 因此，基于高性能计算机的锁定放大器已经 开发出来——数字锁定放大器。
●性能优异的锁定放大器能把幅值小到 0.1nV ， 且 信 噪 比 小 于 1/103 的 周 期 信 号 检 测出来，并放大到10V。
锁定放大器实际上是完成了窄带放大并检 波的功能。
在锁定放大器中，通常不采用模拟乘法器，
原因：要使模拟乘法器保持大的动态范围，良 好的线性，电子线路的结构将十分复杂。
由于被测信号是已知频率的正弦波或方波，因 此乘法器一般都采用动态范围大、线路简单 的开关乘法器。
同频且同相的可以顺利通过， 同频而不同相的，则有一定的衰减作用，
●锁定放大器（Lock-in Amplifier）
上世纪50年代开始研制到现在有五十多年的 历史，已有十多种不同类型的商品问世，
但真正得到快速发展并在检测性能、质量指 标上有飞跃进步的时期是近十几年的事情。 主要是归功于微电子学和电子技术的进步。
Q 0
是衡量带通滤波器性能的指标； Q值越高，滤波器性能就越好， 滤除干扰和噪声的能力就越强。 ●一般的窄带滤波器其Q值达到104， 中心频率的稳定度要求达到10-6以上很难做到。 必须采取新的方法、新的原理。
●锁定放大器：
Q值为108以上，而频率稳定度可以超过10-8， 锁定放大器不仅可以滤除带外的噪声和干扰， 而且对带内的噪声也有一定的滤除作用， 原因：锁定放大器利用了信号的相位特征，
3.相关器
相关器是锁定放大器的核心部件， 锁定放大器：主要是靠相关器的消除噪声 相关器：由一个乘法器和一个积分器组成。
下面对相关器进行分析。
4.3 相关器及其性能分析
1 相敏检波的原理和基本特性 2 相关器的数学分析 3 数学解的物理意义讨论
4 输入信号为与参考信号同频的方波
1 相敏检波的原理和基本特性
n0
2Es
(2n 1)
cos{[1
(2n
1) 2 ]t
1}
此式经过积分后输出。
由上式可以看出：
●输出信号：
信号频率 ω1 、方波基频 ω2所有奇次 谐波 （2n+1）ω2 的和频、差频，即：
ω1 ± （2n+1）ω2
只有在这些谐波分量频率上的噪声才有可能 通过，而其它频率的分量则受到了抑制。
本章介绍锁定放大器的结构和工作原理。
§4.2 典型锁定放大器的原理框图
●典型的锁定放大器的原理框图：
相关器
信号通道
Vs(t)+ni(t)
含噪声 的信号
低噪声 前放
各类滤波陷 波器组合
衰减、调谐放大
放大
×╳ ∫∫
相敏检波
参考通道
VR (t)
触发
移相
驱动
参考信号
典型的锁定放大器主要由三大部分组成： 信号通道、参考通道、相关器。
●若被检测信号的频率不稳定，频率改变或漂移了， 参考信号的频率也必须跟着改变，总是保持着两种 信号的频率相等。
2 参考通道 参考通道的信号：
和被检测信号频率相同的周期信号。
必要条件，频域相干检测。
●参考信号送入参考通道后，首先进入触发 电路，产生和被检信号同频的方波，
再经过移相电路进行移相，然后经过驱动 电路功率放大后，再进入相关器，即输入至 相关器的乘法器的一端。
（1）开关型乘法器原理性电路
●相敏检波器（Phase Sensitive Detector）
简称PSD，是相干检测的心脏。 PSD实际上是一个乘法器， 是相关器的重要组成部分。 经常使用的是开关乘法器。
典型的相敏检波电路：
输入输出波形
G1 G2 G4
G3
Vo
V01为未接C1、C2的输出 V02为接C1、C2的输出
电路分析：
●信号Vs和参考信号VR同频同相，
正半周时，VR使G3、G2导通，（G1、G4截止）信号Vs 通过G3、R3加到运放同相输入端，输出为正； 负半周时，VR使G1、G4导通，而G2、G3截止，信号通 过G1、R1加到运放的反相输入端，输出仍然是正。
●若不接电容C1、C2，则输出信号波形不平滑，