锁相放大器实验简介

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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00

900

1800

2700

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1

2

3

4

5

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