锁相放大器实验简介
锁定放大器原理实验
锁定放大器原理实验一、实验目的l 、了解相关器的原理，测量相关器的输出特性；2、了解锁定放大器的原理及典型框图；3、根据典型框图，组装锁定放大器；熟悉锁定放大器的使用方法二、实验原理实际测量一个被测量时，无用的噪声和干扰总是伴随着出现，影响了测量的精确性和灵敏度。
特别当噪声功率超过待测信号功率时，就需要用微弱信号检测仪器和设备来恢复或检测原始信号。
这些检测仪器是根据改进信噪比的原则设计和制作的。
可以证明，当信号的频率和相位己知时。
采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大，微弱信号检测的著名仪器锁定放大器，就是采用这一技术设计与制造的。
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。
而锁定放大器的主要由三部分组成，即：信号通道(相关器前那一部分)、参考通道和相关器(包括直流放大器)。
首先介绍相关器：它是锁定放大器的核心部分，其基本原理如下：1、相关接收原理微弱信号检测的基础是被测信号在时间轴上具有前后相关的特性。
相关函数是表征原函数的线形相关得度量。
因此，直接实现计算相关函数，就可以实现从噪声中检测被淹没的信号。
利用随机过程的自相关函数来检测信号称为自相关接收：利用两个随机过程得互相关函数来检测信号称为互相关接收。
由于自相关接收的抗干扰能力没有互相关接收强，并且实现起来也比较复杂，因此，在微弱信号检测中，几乎都采用互相关接收。
互相关接收对于已知为周期性的信号的检测十分有用。
如图2所示，输入乘法器的两路信号中，e 1(t)为被检测信号，是V A (t)与背景信号V n (t)的叠加，e 2(t)为在接收设备中设法产生的与被检测信号V A (t)同步的参考信号V B (t)。
将参考信号与杂有噪声的输入信号进行相关，得到被测信号的相关函数，就代表了被测信号。
()()()t V t V t e n A +=1图1.锁定放大器的基本原理图其相关函数为：12121()lim ()()21lim [()()]()2()()T TT T A n B TT AB AB R e t e t dt T V t V t V t dt T R R t ττττ−→∞−→∞=−=+−=+∫∫ 由于噪声V n (t)与参考信号V B (t)的相关性，R NB (τ)=0，因此有()()ττAB R R =12利用互相关接收的原理可以构成锁相放大器的核心电路一相关器。
8.锁相放大实验
3).动态范围 衡量锁相放大器性能和适应性参量:满刻度输入电平FS、 最小可检测信号电平MDS、最大输入过载电平OVL的比值表示。 动态贮备=OVL/FS ，表示允许干扰信号比满刻度输入信号 电平大的倍数。 输出动态范围=FS=MDS，表示满度读数是能量测量的最小 信号的多少倍。 输入总动态范围=OVL/MDS，是评价锁相放大器从噪声中检 测信号能力的极限指标。 过载电平 输入总动态范围 满记得度信号电平 输出总动态 最小可检测电平
参考输入
时间常数
直流输出
测量输入
关 电源
多点信号 平均器
同步积 分器
相关器
交流.直流.噪 声电压表
电源
组件之二
频率计
多功能信号源 100 10 1K 10K
宽带移相器 90 180 270 360
相位计
相位差(度)
ND-1型
微 弱 信 号 综 合 装 置 检 测 仪 器
~
微调 辐度 输出 失锁 失锁 相位调节 0 - 100 辐度 噪声输出 10-300Hz 锁定 同相输出 输入信号 0.3-3KHz 测量
0.7 1-1000 Hz 量程 1-100 KHz
1.2 频率Hz nf f/n 功能选择 8 4 2 1
开
输入
1 0 n预置 辐度.倍频.分频输出
输入
正交输出
参考信号
关 电源
频率计
多功能信 号源
宽带移 相器
相位计
电源
组件之三
低噪声前置放大器 1000 增 100 测量 益
选频放大器 5 4 3 2 1 0 4 3 2 5 6
°或270 °完成表2
相关器谐波响应输出波形与电压表
锁相原理(woolf)
u锁相放大器实验学号：05261047 姓名：汪礼锋实验日期：2008年11月11日指导教师：何琛娟摘要：本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，理解相关检测原理并掌握锁相放大器的参考信号通道和相敏检波器的特性。
关键词：锁相放大器、信号、参考信号、噪声1、引言锁相放大器是检测淹没在噪声中微弱信号的常用仪器。
目前，它已经能够在强噪声背景下检测出几纳伏（nV）的交流信号，并且能够测量宽范围的光强度。
锁相放大器已成为现代科学技术中不可缺少的常用仪器。
2、实验原理2.1、相关接收利用参考信号和被测信号具有相关性，而参考信号与噪声相互独立、互不相关的性质，可以使之通过相关运算消弱噪声的影响，即对混有噪声的信号和参考信号进行相乘和积分处理，从而检测出微弱信号。
2.2、相干检测的实现相干检测器由乘法器(PSD)和积分器组成。
原理如下：设加在PSD上的被测信号为（1）加在PSD上的方波参考信号幅度为1，若用傅里叶级数展开，则方波表达式为：（2）于是PSD上的输出信号为：（3）由公式（3）可以看出，输出信号包含各种频率的分量。
在正常工作情况下，参考信号的基波频率与被测信号的频率相等的，即。
这时PSD 的输出信号中含有直流成分：（4）将PSD 的交流成分滤去后，只有直流成分的被输出，当相位时，输出信号最大：（5）进一步分析还可以知道，被测信号的奇次谐波成分在输出信号中也占有一定的比例。
2.3、锁相放大器的基本组成锁相放大器是采用相干技术制成的微弱信号检测仪器，其基本构成由信号通道、参考通道和相关器三部分组成。
3、实验仪器ND-501型微弱信号检测实验综合装置图1.锁放大器原理图4、实验内容4.1、参考信号通道特性研究接好电路，调节输入信号为正弦波，频率为1000Hz ，幅度大小为100mV 。
当相位计显示的相位差为8°时，输入信号和输出信号同相。
调节参考信号和输入信号的相位差分别为，，，，对比宽带移相器的输入输出信号的波形变化，如图2所示：图2、不同相位下宽带移相器的输入输出信号的波形改变信号幅值和频率，得到表1：表1、输入、输出信号幅值与频率研究由上表可以得到：当输入信号的幅值改变时，输出信号的幅值不发生改变；而当输入信号的频率变化时，输出信号的频率也相应发生改变，而且两者大小相等。
锁相放大实验报告
锁相放大实验预习报告物理072 陈焕07180217摘要：介绍了测量弱信号的一种实验仪器——锁相放大器，以及锁相放大器的基本工作原理，即利用相关检测原理；测量了利用锁相放大器测量弱信号时相关器的参数。
关键字：锁相放大器、相关检测、相关器的参数引言：测量微弱的变化时，先利用传感器将其转化为相应的电信号，然后对这些电信号进行放大，再记录和利用。
但有电信号十分微弱，而且在各种条件下的噪声和干扰很可能将这些微弱信号淹没，因此不能使用单纯的放大器。
解决这个问题的其中一种方法就是采用相关接收的原理，锁相放大器就是一种利用该原理的仪器。
锁相放大器的介绍：典型的锁相放大器由三部分组成：信号通道，参考通道，相关器。
a．信号通道：是相关器前的那一部分，包括低噪声前置放大器，输入电压器，各种功能的有源滤波器，主放大器等组成，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。
b．参考通道：作用是产生与被测信号同步的参考信号输出相关器，主要是触发电路、相移电路、方波形成电路和驱动信号组成。
c．相关器：这是锁相放大器的核心部分，包括乘法器、低通滤波器和直流放大电路。
相关器的介绍：相关器由相敏检波器与低通滤波器组成，是锁相放大器的核心部件。
锁相放大器中的相关器，由一个开关式乘法器与低通滤波器组成。
sin()A A V V t ωϕ=+41(sin sin 3......)3B R R V t t ωωπ=++ 相乘电路采用开关电路，参考电路B V 可以认为是以频率R ω的单位幅度方波。
A V 为输入信号，表示为sin()A A V V t ωϕ=+，当R ωω=为信号，R ωω≠时为噪声或干扰。
,A B V V 之间的相位差ϕ可以由锁相放大器参考通道的相移电路调节，12A V V V =∙0000,1,2.....12121t t R C An R V V e R n π--∞-==-+∑ 式中：12100tan [(21)]]n R Q n R C ωω--+=-+当R ωω=时，0012cos A R V V R ϕπ=-上式表明： 1、 输出不仅与待测信号的幅度A V 有关，也与两信号的相位差ϕ有关。
锁相放大实验 (2)
浙江师范大学实验报告实验名称锁相放大实验班级物理081班姓名王蓓学号08270112同组人翁先祥王聪叶品昭实验日期2010/10/19 室温气温锁相放大实验【摘要】弱信号的测量在当今物理实验中占着很大的地位。
其中锁相放大器是目前最常见的仪器，适用于对淹没在噪声背景中的正弦波或方波信号的检测。
通过本实验及相关知识的了解，了解相关检测原理，锁相放大器(LOOK-IN)的基本组成，掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。
【关键词】锁相放大器信噪比微小变化传感器放大信号噪声【正文】锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器。
锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频率（参数输入频率）的信号幅值，而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。
这样我们可以利用参考信号把有用信号从待测信号中分离出来。
锁相放大器主要有三大部分组成：信号通道、参考通道、相关器。
如下图所示：信号通道包括低噪声前置放大器、有源滤波器、主放大器，它的作用是把微弱信号放大到足以推动乘法器的工作电平，并兼顾抑制噪声的功能。
参考通道是指从参考信号输入到乘法器输入之前的部分，它的作用是产生于被测信号同步的参考信号，通常参考通道输出的是与被测信号同步的对称方波，用以驱动乘法器工作。
锁相放大器的频率变换是通过乘法运算来进行的。
一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。
所以在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换。
由开关元件所进行的同步检波电路，称作PSD （相敏检波器，Phase Sensitive Detector ），这是组成锁相放大器的心脏部分。
实际电路存在各种噪声会影响实验的精确度。
锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF ）的截止频率来确定的。
锁相放大器的基本原理是相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数1()f t 和2()f t 的相关函数定义为：121()lim()()2TTT R f t f t dtT ττ-→∞=-⎰它是度量一个随机过程在时间t 和t τ-两时刻线性相关的统计参数，如果1()f t 和2()f t 完全没有关系，则相关函数将是一个常数。
锁相放大器报告
锁相放大器报告1. 引言锁相放大器（Lock-in Amplifier）是一种用于检测和放大微弱信号的仪器。
它的原理是利用参考信号与待测信号进行相位比较，并通过频率调制将待测信号转换成与参考信号频率相同的信号，从而实现信号的放大与解调。
锁相放大器在许多领域都有广泛的应用，例如光学测量、电子学实验、磁学、生物医学等。
本报告将重点介绍锁相放大器的原理、应用以及仪器的使用方法。
2. 原理锁相放大器的核心原理是相位敏感放大技术，它通过与参考信号进行相位比较，实现对待测信号的放大与解调。
具体原理可以分为以下几个步骤：1.信号混频：将待测信号与参考信号进行混频，产生一个电压与参考信号频率相同的交流信号。
2.低通滤波：对混频后的信号进行低通滤波，滤除高频噪声部分。
3.相位移动：通过改变参考信号的相位，实现对待测信号相位的调整。
相位调整后，待测信号与参考信号之间的相位差将被最小化。
4.放大器：对调整后的信号进行放大，增加信号的幅度。
5.解调器：将放大后的信号与参考信号进行相乘，得到待测信号的幅度信息。
锁相放大器将以上步骤组合在一起，能够对微弱信号进行高增益放大和高精度解调，从而提高信号的检测灵敏度和测量精度。
3. 应用锁相放大器在许多领域都有广泛的应用，下面将介绍几个典型的应用场景。
3.1 光学测量在光学测量中，锁相放大器常用于检测光能量、相位差、频率等参数。
例如在光学干涉仪中，通过锁相放大器可以对光的干涉信号进行放大和解调，从而实现对干涉信号的精确测量。
3.2 电子学实验锁相放大器在电子学实验中也有着广泛的应用，可以用于检测微弱信号、分析信号的谐波成分等。
例如在电阻、电容和电感测量中，锁相放大器可以消除噪声的影响，提高测量的精度。
3.3 生物医学在生物医学领域，锁相放大器被广泛应用于生物信号检测和分析。
例如在心电图检测中，锁相放大器可以提取出心电信号的有效部分，并抑制背景噪声干扰，从而实现对心电信号的准确分析和诊断。
锁相放大实验报告
锁相放大实验报告锁相放大实验报告摘要本实验利用锁相放大器对微弱信号中的噪声进行抑制并对其进行检测，了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成；掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。
通过实验学会锁相放大器的使用，掌握利用锁相放大器来观察信号输入信号通道前后的幅值以及波形情况，获得相位角与电压、放大倍数与电压的关系，并且通过噪声的观察知道如何消除噪声。
关键词锁相放大器，通道，噪声带宽，信噪比正文锁相放大器己成为现代科学技术中必不可少的常备仪器。
国内72年南京大学首先从事这方面的研究工作，1974年研制成了第一台实验室样机，继后物理所等单位相继进行了这一方面的研究工作，1978年才有了工厂生产产品。
现在测量毫微伏量级的信号已是可能。
锁相放大器在涉及到微弱信号检测的各个领域都已得到了广泛的应用。
一、实验原理简析锁相放大器就是用来检测淹没在噪声中的微弱交流信号。
本质上，锁相放大器是一个具有任意窄带宽的滤波器，其频率调谐到信号的频率，排除掉大多数不需要的噪声而只允许被测量信号通过。
除了滤波，锁相放大器也能够提供增益，锁相放大器可以从噪声中提取比噪声小1000倍甚至10000倍的信号，锁相放大器的信噪改善比特别高它可用于测量交流信号的幅度和相位。
有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极髙的灵敏度。
1.相关检测原理所谓相关就是指两个函数间有一定的关系，如果他们的乘积对时间求平均（积分）为零，则表明这两个函数不相关（彼此独立）；如不为零，则表明两者相关。
由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都是采用互相关检测原理。
如果）（ltf和）（2 tf为两个功率有限的信号，则可定义其相关函数为：TTldttftfTR）（）（2/llim21）（由于噪声的频率和相位都是随机量，它的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。
因而可以认为信号和噪声，噪声和噪声之间是互相独立，相关函数为零，通过推导，则：YTrsdttvtTR）（）（2/1 lim）（由此可知，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。
锁相放大器实验
2．原理
2.1理论
2.1.1相关接收
微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。相关是指两个函数间有一定的关系，相关按概念分为自相关和互相关。微弱信号检测中一般采用抗干扰能力强的互相关检测。相关函数是表征线性相关的度量。
3)相关器对不相关信号的抑制
连接实验线路，调节输入信号的信号源的频率为200HZ时，改变干扰信号的频率，观察相关器噪声电压输出，分析相关器对不相关信号的抑制能力。
4)相关器对噪声的抑制及信噪比改善
连接实验线路，先不加干扰信号，在输入信号与输出信号同相的情况下观察相干器“加法器输出”与“PSD输出”的波形，测量直流输出电压；加入白噪声信号后，再用“加法器输出”与“PSD输出”的波形观察信号与噪声相混的波形。测量信号源的输入信号的电压、白噪声输入电压，再测量出相关器输出的信号电压与噪声电压，计算输出信号的信噪比。
3.2相敏检波器的特性研究及信噪比改善测量
1)相敏检波器PSD输出波形和电压测量
连接实验线路，在输入信号与参考信号不同相位下，观察由PSD输出的波形；测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间的幅值及相位差 的关系，
2)相关器的谐波响应的测量与观察
连接实验线路，宽带移相器的输入信号接至信号源的“倍频 分频输出”，使得参考信号的频率为信号频率的1/n.在n分别为1,2,3,4,5,6,7的情况下，调节相移，记录直流电压输出最大值。
3)相关器对不相关信号的抑制
相位差为0°时，加法器输出峰峰值为0.32V，PSD输出峰值为0.16V，加法器输出波形和PSD输出波形如图8所示，
图8加法器输出波形和PSD输出波形
锁相放大实验报告
实验报告实验名称：锁相放大实验班级：物理学131班学号：13180118姓名：葛法熙指导老师：斯老师锁相放大实验报告一．实验目的1.了解相关器的原理，测量相关器的输出特性；2.了解锁相放大器的原理及典型框图；3.根据典型框图，组装锁相放大器，熟悉锁相放大器的使用方法二．实验原理锁相放大器是一种检测非常弱小信号的仪器，利用信号和外加参考信号的相干特性来去除噪声的影响，锁相放大器由信号通道、参考通道和相关器三部分组成。
信号通道把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和过滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器的动态范围。
参考通道是产生与被测信号同步的参考信号输出给相关器。
微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。
相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。
相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。
设信号f1(t)为被检信号Vs(t)和噪声Vn(t)的叠加，f2(t)为与被检信号同步的参考信号Vr(t)，二者的相关函数为：[]dt r t V t V t V Tdt t f t f TR rTTnsT TTT )()()(21lim)()(21lim)(2112-+=-=⎰⎰-∞→-∞→ττ)()(ττnr sr R R +=由于噪声)(τn V 和参考信号)(τr V 不相关，故0)(=τnr R ，所以)()(12ττsr R R =。
锁相放大器通过直接实现计算相关函数来实现从噪声中检测到被淹没信号。
当输入信号为)(t V A ，参考信号为)(t V B 则)cos(2)(A A A A t w V t V ϕ+=)cos(2B B B B t w V V ϕ+=[][])()(cos )()(cos ()()(1B A B A B A B A B A B A B A t w w V V t w w V V t V t V t V ϕϕϕϕ-+-++++∙=∙=）而由低通滤波器组成的积分器会过滤到高频段，也就是说积分器会取出差频段的分量来检测信号。
锁相放大器
锁相放大器实验锁相放大器实验（Lock-in amplifier）,简称LIA。
它是一个以相关器为核心的检测微弱信号仪器，它能在强噪声情况下检测微弱正弦的幅度和相位。
学习本实验的目的是使同学了解锁相放大器的基本组成,掌握锁相放大器的正确使用方法。
一、锁相放大器的基本组成结构框图如图1所示。
它有四个主要部分组成:信号通道、参考通道、相关器（即相关检测器）和直流放大器。
图1 锁相放大器的基本结构框架1.信号通道信号通道包括:低噪音前置放大器、带通滤波器及可变增益交流放大器。
前置放大器用于对微弱信号的放大，主要指标是低噪音及一定的增益（100～1000倍）。
可变增益放大器是信号放大的主要部件，它必须有很宽的增益调节范围，以适应不同的信号的需要。
例如，当输入信号幅度为10nV，而输出电表的满刻度为10V时，则仪器总增益为10V/10nV =109若直流放大器增益为10倍，前置放增益为103，则交流放大器的增益达105。
带通滤波器是任何一个锁相放大器中必须设置的部件，它的作用是对混在信号中的噪音进行滤波，尽量排除带外噪音。
这样不仅可以避免PSD（相敏检波器）过载，而且可以进一步增加PSD输出信噪比，以确保微弱信号的精确测量。
常用的带通滤波器有下列几种：（1） 高低通滤波器图2为一个高通滤波器和一个低通波滤波器组成的带通滤波器，其滤波器的中心频率f 0及带宽B 由高低滤波器的截止频率f c1决定和f c2决定。
锁相放大器中一般设置几种截止频率，从而根据被测信号的频率来选择合适的频率f 0及带宽B 。
但是带宽滤波器带宽不能过窄，否则，由于温度、电源电压波动使信号频谱离开带通滤波器的通频带，使输出下降。
为了消除电源50Hz 的干扰，在信号通道中常插入组带滤波器。
（2）同步外差技术上述高低通滤波器的主要缺点是随着被测信号频率的改变，高低通滤波器的参数也要改变，高低通滤波器的参数也要改变，应用很不方便。
为此，要采用类似于收音机的同步外差技术，原理框图如图3所示。
锁相放大实验
锁相放大实验物理082班 08180202 陈蓓蓓摘要在做这个实验的时候我们不仅要了解什么事锁相放大器，更要利用锁相放大器观测信号输入信号通道前后的幅值、波形情况，观测参考通道前后信号的变化情况，观测锁相放大器输入输出波，并通过调节参考通道相移器来改变两信号间的相差的同时，观测锁相放大器输出信号幅值及波形变化，从中得出相关检波原理。
关键词锁相放大器、信号引言随着科学技术和生产的发展，需要测量许多物理量的微小变化。
特别是极端条件下的微弱信号的测量，成为我们可以深化认识自然、开拓新材料、创造新器件的基础。
通常我们用传感器将其转化为相应的电信号，然后对这些电信号进行放大，再被我们显示和记录。
但是，这些微小的变化被转化的过程中，各种条件下的噪声和干扰信号很可能将这些微弱信号淹没。
所以在本实验中我们使用锁相放大器来测量淹没在噪声背景中的正弦波或方波信号。
正文首先，我们需要清楚为什么锁相放大器能有很强的抗噪声能力呢？锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因为很好地利用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间在性质上的差别。
在这里，我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质，一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力。
噪声的性质1、平坦的频谱在宽阔的频率范围内，该信号具有几乎相同的频谱。
信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。
2随着频带宽度不同测量电压会改变在用毫伏计测量白噪声时，得到的测量值和白噪声所具有的频谱带宽（BandWidth: B.W.）的平方根以及电平成比例。
测量得到的电压值，与下图中的浅蓝色部分的面积成比例。
即使对于同样的噪声，如果用带通滤波器（BPF）来限制所通过的频带，那么测量所得的电压值就会不同。
把测量所得的噪声电压（Vrms），除以频带宽度的平方根，就得到用表示噪声大小的单位、也即称作噪声电压密度（V/√Hz）来衡量的值。
频道宽度如果缩小到1/100，那么测量所得的噪声电压就缩小到1/10。
锁相放大器的原理实验报告修订稿
锁相放大器的原理实验报告WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-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。
近物实验II锁相放大
锁相放大器实验一、引言锁相放大器(lock-in amplifier)是检测淹没在噪声中微弱信号的常用仪器。
它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。
自1962年第一台锁相放大器问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，目前已经能够在强噪声背景下检测出几nV 的交流信号。
锁相放大器已成为现代科学技术中必不可少的常用仪器，已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。
锁相放大器不能像光子计数器那样测量极微弱的光信号，但它能测量宽范围的光强度，并且不局限于光信号的测量。
因此，培养学生掌握这种技术的原理和应用，具有重要的现实意义。
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。
二、实验原理1．相关接收微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。
所谓相关，是指两个函数间有一定的关系，相关按概念分为自相关和互相关。
微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。
相关函数是表征线性相关的度量。
设信号)(1t f 为被检信号)(t V s 和噪声)(t V n 的叠加,)(2t f 为与被检信号同步的参考信号)(t V r , 二者的相关函数为()()()()()()()12121lim d 21lim ()d 2,T TT T s n r T T sr nr R f t f t t T V t V t V t t T R R τττττ-→∞-→∞=⋅-=+⋅-⎡⎤⎣⎦=+⎰⎰ （1） 由于噪声)(τn V 和参考信号)(τr V 不相关, 故0)(=τnr R ，所以)()(12ττsr R R =。
以上分析表明，利用参考信号与有用信号具有相关性，而参考信号与噪声相互独立、互不相关的性质，可以使之通过互相关运算削弱噪声的影响，即对混有噪声的信号和参考信号进行相乘和积分处理，就能够把深埋在任意大噪声中的微弱信号检测出来，根据此原理设计的相干检测器即相关器构成了锁相放大器的核心部分。
锁相放大器综述
题目：锁相放大器的原理及应用姓名：单位：学号：联系方式：摘要锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。
应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。
本文主要介绍了锁相放大器原理，发展过程，基本组成，重要参数和在各方面的应用。
关键词：锁相放大器，噪声，傅立叶变换一、锁相放大器的定义锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。
它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。
因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。
此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。
锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。
应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。
二、锁相放大器的历史上世纪六十年代美国公司研制出第一台利用模拟电路实现微弱正弦信号测量的锁相放大器，使微弱信号检测技术突破性飞越，为解决大量电子测量做出贡献，在物质表面组份分析以及表面电子能态研宄方面有重大意义。
自上世纪后期开始，国内外越来越多的人开始研宄锁相放大器，随着科技的发展，越来越多性能优良的锁相放大器被研发出来，在各个领域应用广泛，极大程度上推动了各个学科的发展，目前，从提高系统的灵敏度、减小噪声带宽、提高检测精度、改善信噪比上都有了很大的进步。
近年来，数字电子技术飞速发展，锁相放大器也在这一契机下，出现了模数混合的锁相放大器与数字锁相放大器，这在一定程度上弥补了由于物理器件造成的模拟锁相放大器的缺点，极大改善了性能，提升了研究层次与扩大了应用范围。
锁相放大器实验报告
锁相放大器实验报告锁相放大器实验报告引言：锁相放大器是一种用于测量微弱信号的高精度仪器，广泛应用于光电子学、材料科学等领域。
本实验旨在通过锁相放大器的使用，探索其原理和应用，并验证其在信号测量方面的优势。
一、实验目的本实验的主要目的是学习锁相放大器的工作原理和使用方法，并通过实验验证锁相放大器在测量微弱信号时的优越性能。
二、实验装置本实验所使用的实验装置主要包括锁相放大器、信号发生器、光电探测器等。
其中，锁相放大器是实验的核心设备，其通过对输入信号进行相位调制和解调，实现对微弱信号的放大和测量。
三、实验步骤1. 连接实验装置：首先，将信号发生器和光电探测器分别与锁相放大器连接，确保各设备之间的信号传输正常。
2. 设置实验参数：根据实验要求，设置锁相放大器的工作频率、相位等参数，以及信号发生器的频率和幅度等参数。
3. 测量信号：通过调节信号发生器的输出信号，使其与待测信号频率相匹配，然后通过光电探测器将信号转化为电信号输入到锁相放大器中。
4. 数据采集与分析：通过锁相放大器的显示屏或计算机软件，获取测量到的信号数据，并进行分析和处理，得到所需的实验结果。
四、实验结果与讨论通过实验，我们得到了一系列测量结果，并进行了相应的数据分析和讨论。
首先，我们验证了锁相放大器对微弱信号的放大效果。
实验结果表明，锁相放大器能够有效地放大微弱信号，并提供高精度的测量结果。
其次，我们研究了锁相放大器的相位调制和解调原理。
相位调制是通过改变输入信号的相位，使其与参考信号保持一定的相位差，从而实现对信号的放大和测量。
而解调则是将锁相放大器输出的调制信号恢复为原始信号，并进行相应的分析和处理。
另外，我们还探索了锁相放大器在光电子学领域的应用。
通过将锁相放大器与光电探测器相结合，我们可以实现对光信号的高精度测量，这在光通信、光谱分析等领域具有重要的应用价值。
五、实验总结通过本次实验，我们深入了解了锁相放大器的工作原理和使用方法，并验证了其在信号测量方面的优越性能。
锁相放大器实验报告
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ次实验的收获与体会
掌握了锁相放大器的基本原理和操作方法 学会了如何调整锁相放大器的参数以获得最佳性能 提高了实验动手能力和解决问题的能力 认识到团队合作在实验中的重要性，学会了如何与团队成员沟通和协作
对实验中遇到的问题和解决方案的反思与总结
遇到的问题：信号干扰、设备故障、操作失误等 解决方案：调整信号源、更换设备、规范操作等 反思：实验过程中需要注意的细节和可能出现的问题 总结：通过实验，提高了解决问题的能力和团队合作精神
调整锁相放大器参数，进行信号放大处理
调整锁相放大器参 数：设置合适的放 大倍数、相位差和 带宽
输入信号：选择合 适的信号源，如正 弦波、方波等
信号放大处理：将 输入信号通过锁相 放大器进行放大处 理
观察输出信号：使 用示波器等设备观 察输出信号的波形 和幅度，确保满足 实验要求
使用示波器和电脑采集和处理实验数据
Part Two
实验设备
锁相放大器
锁相放大器是一种用于测量微弱信号的电子设备。 锁相放大器的主要功能是提取信号中的频率和相位信息。 锁相放大器通常由一个参考信号和一个输入信号组成。 锁相放大器的性能指标包括灵敏度、动态范围、相位噪声等。
信号发生器
型号：Agilent 33220A 功能：产生正弦波、方波、三角波等信号 频率范围：1Hz-10MHz 精度：±0.01%
对实验教学的建议和改进意见
增加实验操作演示，帮助学生更好地理解和掌握实验步骤。 提供更多的实验案例，让学生通过实践锻炼解决问题的能力。 加强实验过程中的指导，及时发现并纠正学生的错误操作。 鼓励学生进行创新实验，培养学生的创新意识和实践能力。
对后续学习和实践的展望与计划
深入学习锁相放 大器的原理和应 用
锁相放大实验深圳大学
深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验（2）实验项目名称：锁相放大实验学院：物理科学与技术学院专业：应用物理学指导教师：报告人：学号：班级：01实验时间：实验报告提交时间：教务部制一．实验目的（1）了解相关检测原理和锁相放大器的基本组成以及锁相放大器的工作特性和主要参数测定；提高相关检测技术 水平。
（2）掌握锁相放大器的正确使用和锁相放大器的应用。
（3）了解微弱信号测量系统的参数设计要点与系统组成，搭建相关检测系统，分析测量数据，判定系统参数。
提高误差分析与分配能力。
二．实验原理检测微弱信号的核心问题是对噪声的处理，最简单、最常用的办法是采用选频放大技术，使放大器的中心频率f 0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。
后来发展了锁相放大技术。
它利用等测信号和参与信号的相互关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。
1.锁相放大器的工作原理（1）相关检测及相关检测器。
所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）；如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。
由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。
如果f1(t)和f2(t-τ)为两个功率有限信号，刚可定义它们的互相关函数为：令f1(t)=V1(t)+n1(t)，f2(t)=V1(t)+n2(t)，其中n1(t)和n2(t)分别代表与待测信号V1(t)及参考信号V2(t)混在一起的噪声，则式（3.1.1）可写成：式中Rsr(τ)，Rr2(τ)，Rr1(τ)，R12(τ)分别是两信号之间，信号对噪声及噪声之间的函数。
由于噪声的频率和相位都是随机量，他们的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。
所以，可认为信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的，他们的互相关函数为零。
于是式（3.1.2）可写成：dt t V t V TR R r S T TT sr )()(21limττ-=≈⎰-∞→）（ （3.1.3）上式表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。
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.::锁相放大器实验简介::.在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱信号。
通常的方法是采用选频放大技术心频率与待测信号频率相同，从非线性器件直接产生的或外部引入的（干扰等）众多出有用分量，滤除其它无用分量。
但此方法存在中心频率不稳定、带宽不能太窄及对力等缺点。
锁相放大器（Lock-in amplifier，LIA）自问世以来，在微弱信号检测方面显它能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高,在科学研究的各个领域得到利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制号的检测和跟踪[10]。
因此，学生掌握锁相放大技术的原理与应用具有重要的意义。
锁相放大器的基本结构如图所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器（PS （LPF）等。
信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相台，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。
参考通道对参考输入进行放大和衰减，以适应相敏检测器对幅度的要求。
参考功能是对参考输入进行移相处理，以使各种不同的相移信号的检测结果达到最佳。
锁相放大器的核心部件是PSD，它以参考信号r(t)为基准，对有用信号x(t)进实现频谱迁移过程。
将x(t)的频谱由ω=ω0处，再经LPF滤除噪声，输出直流信号入信号幅度及它们的相位有关。
其输出u0(t)对x(t)的幅度和相位都敏感，这样就达相的目的。
因为LPF的频带可以做得很窄，所以可使锁相放大器达到较大的SNIR。
相敏检测器的输出波形:不同相位时相敏检测器的波形当两输入信号的振幅一定时，相敏检波器的输出与输入信号的相位差的余弦成检波后输出最大；而反相时为负最大；相差900或2700时为零。
相敏检波器的原理比出信号是输入信号与参考信号的乘积。
式中：为被测信号频率；为随机噪声频率。
通过PSD后，输出加低通滤波器，其输出若大于低通滤波器截止带宽，后一项不通过低通滤波器输出；反之输出。
实际电路中，常采用的方波作参考信号，设，则参考信号的傅立叶式中为方波的基波频率。
若信号为：，则经LPF的滤波作用，n＞１的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩下n=1的差频项最终将输出信号作为积分时间无限长的积分器的输入，完成互相关函数的求解。
.::锁相放大器仿真实验::.使用说明：1.首先阅读实验内容和步骤，熟悉实验过程。
2.阅读之后需下载实验程序，在本地机上完成仿真实验。
实验程序下载虚拟锁相放大器用户界面：实验内容和步骤：实验一：相敏检波器输出波形观察及锁相放大器输出电压测量调节正弦信号发生器，使输出频率(Frequency)在1KHz左右、振幅(Amplitude)在100mV 数(AC Amplification Ratio)为10x，直流放大倍数(DC Amplification Ratio)为1x，低通滤波器Filter Timing Const.)为1S。
调节宽带相移器的相移量观察相敏检波器的输出波形，测量结果请相移量直流输出PSD输出波形0090018002700图1 电压与波形测量由分析可知，测量结果与理论值相符合。
实验二：相关器谐波响应的测量与观察将宽带相移器输入信号置n分频，使得相关器的输入信号的频率是参考信号的n倍。
测量结果请填写在图2中。
分频数直流输出PSD输出波形12345图2 分频后的电压与波形通过观察判断实际与理论结果——奇次谐波输出的直流响应电压为基波的直流响应电压的的直流响应电压为0——相一致。
实验三：锁相放大器抑制噪声的能力调节交流放大倍数为10x，直流放大倍数为10x，时间常数为1S；设置正弦信号发生器为100mV，参考信号的相移量为0度；设置噪声发生器的输出幅值为0mV，即不叠加噪声。
测量此输出电压。
选择噪声发生器的输出波形类型为高斯白噪声(Gauss White Noise)，设置幅值为100mV。
此时输①当时间常数为0.1S时，测量输出电压及计算此时的信噪改善比。
②当时间常数为1S时，测量输出电压及计算此时的信噪改善比。
③当时间常数为10S时，测量输出电压及计算此时的信噪改善比。
由测量结果可知，随着积分常数的增加,输出信噪比不断地提高实验四锁相放大器抑制噪声的能力调节交流放大倍数为10x，时间常数为1S；设置信号发生器输出的正弦波频为1V，相位调节为00；设置噪声发生器的输出幅值为0mV，即不叠加噪声。
此时锁的直流输出电压为6.29V。
选择噪声发生器的输出波形类型为高斯白噪声(Gauss White Noise)，设置幅值为噪比为：①当时间常数设置为0.1S时，输出直流电压为6.3V,输出噪声幅度为0.2V,根据,此时信噪改善比为31。
②当时间常数设置为1S时，输出直流电压为6.36V,输出噪声幅度为0.06V,,此106。
③当时间常数设置为10S时，输出直流电压为6.36V,输出噪声幅度为0.04V,此159。
由上述测量结果讨论可知，随着积分常数的增加,锁相放大器的输出信噪比不.::锁相放大器使用实验::.实验用户界面：实验框图：锁相放大器使用远程实验系统结构方框图实验原理：锁相放大器使用远程实验系统结构如图所示。
实验采用实验室自制的信号发生路产生正弦信号和噪声的叠加信号，由音频信号线的左声道采集；一路产生同步触发路衰减电路后，产生1V的同步参考方波，由音频信号线的右声道采集。
两路信号经通过线路输入插孔送入实验机，并经网络反馈给客户机，送入虚拟锁相放大器。
由虚成移相、相乘、积分等功能，最后输出与被测信号有关的直流信号。
与传统实验相比算机和一台信号发生器即可进行实验。
在此基础上，结合网络技术和仪器控制技术，实验内容和步骤：实验电路用的信号发生器的输出信号类型调为正弦波，考虑到声卡采集信号的0.4V。
噪声输出幅度也调为0.4V左右，同步触发信号经衰减后输出幅度为1V左右。
学生在客户机上通过调节虚拟锁相放大器面板中的相位调节、交流放大倍数、积数，从而完成锁相放大器对混有噪声信号的测量实验。
通过虚拟面板观察各个工作过件实现了移相、相敏检测、积分等功能，输出与被测信号有关的直流输出电压，得到完成实验。
由前面锁相放大器原理的介绍可知，为测得正确的直流输出电压，相位调或1800。
当相位调节为1800，交流放大倍数为10倍时，输出直流电压为-2.6V，由测量量结果与理论值相一致。
进行实验.::热敏电阻温度特性曲线测量实验::.实验用户界面：实验硬件装置图：实验硬件内部电路图：温度特性测量原理：温度变化不是很大时，热敏电阻的阻值随温度的变化不明显，一般的测量方法（不容易精确。
本测量方法采用电桥来提取阻值变化引起的电压变化信号，这一电压信环境噪声对它的测量结果影响较大,而采用锁相放大器来测量则可以提高测量的精度示：测量热敏电阻温度特性曲线电路图信号发生器作为交流信号源，产生1000Hz标准的正弦波信号，正弦波信号经阻参考信号直接送锁相放大器，另一路接入电桥测量电路的AB两端，R1和R3均为1KΩ为10Ω左右的电阻，R T为待测的热敏电阻，阻值为几欧姆到十几欧姆。
由于电桥A、B两端的信号电压V A B值为固定，当热敏电阻R T所测的温度改变时，两点的电压的变化，而C、D两点的电压V C D就是锁相放大器被测信号的输入电压。
根工作原理，在参考信号不变的情况下，锁相放大器的输出电压V O与V C D有线性关系。
压与电流的关系，可以求出电压V C D与电阻R T的关系如下：VC D =VA B[RT/（RT+ R3）·R2·（R1+ R2）]由于R3远大于R T，所以上式可以近似写为：V C D=aR T+b因此V0正比于aR T+b（a，b为常数）。
这样，通过测得锁相放大器的输出电压V0随温度变化的特性，就可以求出热敏电度变化的特性。
实验方框图：实验线路连接图实验线路连接图如图所示。
整个系统由真实信号发生器提供信号源。
信号发生器一路其输出直接连接至音频输入电缆的右声道；另一路输出的正弦信号即作为桥式电路的两端之间的电压差输出连接至音频输入电缆的左声道。
通过声卡模数转换后输入到计相放大器。
计算机通过串口向单片机发送指令，控制加热电路给热敏电阻加热。
热敏电阻温度传感器DS18B20测量，该温度值读入到单片机中，通过串口发送到计算机。
实验内容和步骤：学生实验过程如下：（1）运行客户端程序，点击加热按钮，接通加热电源，继电器闭和，水泥电阻热。
此时，在虚拟面板上可以观察到温度计的显示开始慢慢上升，桥式电开始慢慢加大。
（2）调节虚拟锁相放大器面板上的相位调节、交流放大等参数，得到适合的输板上观察。
为测得正确的直流输出电压，相位调节必须设置为00或1800。
的读数即是测量得到的被测信号对应的直流电压输出。
（3）虚拟面板上的温度计显示的是当前热敏电阻的温度值，大约每隔50C记录一同时，记录下相应的直流电压的输出值。
（4）当温度值显示到80℃左右时,再次点击加热按钮,关闭加热电源，继电器闭止加热。
此时，在虚拟面板上可以观察到温度值和输出电压值开始下降。
示：温度电压测量结果表（5）根据测量结果，绘制热敏电阻电压-温度曲线图，如图4-9所示。
从曲线可线呈指数关系，由前面分析可知，也即热敏电阻阻值-温度呈指数关系。
利的结果符合实际实验结果。
热敏电阻电压-温度曲线图进行实验.::使用说明::.1、如果是第一次做远程控制锁相控制实验，请首先击本网页左侧的导航栏的“插件下载”，下载2、剩余时间：每次实验限定时间为30分钟，30分钟后，连接自动断开,此数字窗口显示剩余时间时间内完成实验。
.::常见问题FAQ::.1、请问我为什么不能运行下载的客户端程序？请首先下载插件（在左侧导航栏下方）。
2、我在操作的时候发现按下按钮一段时间后相应的参数才发生变化，为什么？这种情况是由于网络数据传输延时引起的，请选择网速较快网络（最好在教育网或校园网络3、为什么我总调不出所需要的波形信号？请详细阅读使用说明和实验内容和步骤。
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