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。这是一种单外差技术，PSD 1实际上是一个混频器, 图2 高低通频滤波器原理，具有频率f 0信号经放大滤波后进入混频PSD ,其输出为和频项

(f i +2f 0)及差频f i ,再经具有中心频率为f i 带通滤波后,输出变为中频信号f i ， (幅度仍与

被测信号的幅度成正比)再后,通过PSD 2完成相敏检波后,得到解调输出U 0,达到了对信号

幅度的测量。外差方式的优点是采用固定中频f i 的带通滤波器,因而对不同被测信号频率

均能适用;其次,由于采用固定中频带通滤波器,故滤波器的带宽及形状可以专门设计,所

以本电路具有很强的抑制噪音的能力。

图 3 同步外差技术原理框图

（3） 同步积分技术

0f i f 02f f i + 0f f i + 0f

0f 0U 放大

滤波 1PSD 通频i f 带通滤波 2PSD 直流放 大 参考振荡源1f 混频

i f

r （t ）

图4为同步积分器的电路图。同步积分器是一种RC积分电路,用电子开关使其轮流导通。电子开关由参考信号形成的开关方波控制,K1、K2和K3同时动作。当信号输入后，电容C就轮流充电，由于它是一种积分电路，故输出可以抑制噪音。输出频率为f0的方波，其幅度与输入信号幅度成正比，从而达到了抑制噪音，提取信号的目的，所以同步积分器也相当于一种可变中心频率的带通滤波器。

图 4 同步积分器原理图

2．参考通道

参考通道的作用是提供锁相放大器中PSD的开关方波。这种波应是一个具有正负半周之比为1:1,频率为F的方波。开关方波的相位能在00－3600之间任意移动,以保证输出信号Ｕ0能达到正或负的最大。由于方波的对称性,可以消除偶次谐波的响应。

参考通道的输入为频率f的正弦波,经移相,整形后得到开关方波。因此,对参考信号的频率和幅度有一定的要求,通常幅度应大于100 mＶ以上。另外,输入信号的波形可以是非正弦波,因为它可以通过整形达到规范化。

移相电路可以用RC移相网络。模拟门积分比较器。锁相环等组成。

3.直流放大器

由PSD输出的信号是直流电压或缓慢变化的信号,因此后续的电路应为直流放大器。直流通道主要问题是放大器零漂的影响。由于PSD输出的直流信号可能很小(特别是对微弱正弦信号的检测),因此要选择低漂移的运算放大器作为直流放大器的前置级。其次,器件的1/f噪声也是引起输出电压波动的原因,因此要求有尽量小的1/f噪声。

4.相关器

详见相关实验。

二.锁相放大器的特性参量

任何仪器均有自己的主要性能指标,锁相放大器是一种微弱信号检测仪器,可以实现

在噪声中微弱正弦信号的测量,因此它的主要特性参量就是根据这个要求而确定的。

1. 等效噪声带宽(ENBW)

为测量深埋在噪声中的微弱信号,必须尽可能地压缩频带宽度, 锁相放大器最后检测

的是与输入信号幅度成正比的直流电压,原则上与被测信号的频率无关,因此,频带宽度可

以做得很窄。可采用一级普通的RC 滤波器来完成频带压缩。所以锁相放大器的等效噪声

带宽(ENBW)的定义。一个普通的一级RC 滤波器,其传输系数

22211

C R K ω+=

其等效噪声带宽

RC C

R df df K f 411022202=+==∆⎰⎰∞∞ω （1） 如取RC 时间常数s T 1=,则Z H f 25.0=∆。

2. 信噪比改善(SNIR)

对于锁相放大器的SNIR,可用输出信号的噪声带宽f 与锁相检波器输出的噪声带宽f

之比的平方根来表示,即 no

ni f f SNIR ∆∆= （2） 令Z ni kH f 10=∆,s RC 1=,若用一级RC 滤波,则Z no H f 25.0=∆,那么信噪比改善为200倍。

3. 动态范围