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 T

T T A n B T

T 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。

2、相关器

相关器由相敏检波器(PSD)

与低通滤波器组成，是锁定放大器的核心部件。锁定放

图2.

互相关接受示意图

大器中的相关器，通常采用图3所示的形式，由一个开关式乘法器(x)与低通滤波器(LPF)组成。

(1)同步检测器

令图3中输入开关乘法器的被测信号V A (t)和参考信号V B (t)分别为

())

cos(2A A A A t V t V ϕϖ+=())

cos(2B B B B t V t V ϕϖ+=则开关乘法器的输出信号为

()()()()()[]()()[]B A B A B A B A B A B A B A t V V t V V t V t V t V ϕϕϖϖϕϕϖϖ−+−++++⋅=⋅=cos cos 1可见开关乘法器的输出由和频(w A +w B )和差频(w A -w B )两部分组成。当(w A=w B )或w A 在w B 附近时，则以低通滤波器组成的积分器取出差额分量来检测信号。

当((w A=w B )时，同步检测器的输出信号V 0为

式中．K B 为与参考信号幅度V B 和低通滤波器传输函数有关的常数；ϕcos 0A B V K V =φ为被测信号与参考信号的相位差，即φ=φA 一φB 。

同步检测器的输出信号与被测信号的幅度V A 有关，也与被测信号与参考信号的相位差φ有关。当调整参考信号的相位差φ，使φA =φB 时，同步检测器的输出信号只与被测信号的幅度有关，因而实现了幅度检测的要求。现在的锁相放大器不是采用模拟乘法器，而是采用开关电路构成的PSD 电路作为相干检测器。

(2)PSD 的工作过程

图4是PSD

的基本框图。

开关型乘法器的参考信号V B 是频率w B 的单位幅度对称方波。与被测信号V A (t)相乘得到V 1

的信号为：

1()()11co s[()()]co s[(3)(3)]co s[(5)(5)]35A B A A B A B A B A B A B A B V V t V t t t t ωωϕϕωωϕϕωωϕϕπ=⎧⎫=±+±−±+++±++−⎨⎬⎩⎭

L 图4.PSD 的基本框图.

当(w A=w B )时，低通滤波器(LPF)的输出为：

()()ϕϕϕπ

cos cos 0220A A B L A KV A V V =−=式中，A L (0)为低通滤波器(LPF)的传输函数；K 为只与传输系数有关、与参考信号幅度无关的电路常数；φ=φA 一φB 。即被测信号与参考信号的位相差。输出直流电压V o 与位相差φ成cosφ关系。

由V 0可见，PSD 的输出信号与被测信号的幅度有关。也与被测信号和参考信号的位相差有关。当改变参考信号的位相差时，可以得到不同的输出，图5给出不同位相差φ各点的波形。

(注：图３中低通滤波器为反相输入。因此，输出直流电压与V 1反号，本图中为了更直观起见，画的低通滤波器不倒相，V 0与V 1中的直流分量同号)。

对非同步信号的抑制。如图６所示，由于与参考信号无固定的相位关系，因此开关型乘法器的输出信号经过低通滤波器的平均后。其输出为0

，实现了对非同步信号的抑制。图5.相关器各点波形图。

图6.PSD 对非同步信号的抑制。

图５．相关器各点波形图