双相锁定放大器实验教案.doc

通过实验，让学生达到以下目的：

1、

了解双相锁定放大器的原理及框图。 2、 根据典型框图，连接成双相锁定放大器。并测试双相锁定放大器的功能。

教学内容（注明：*重点 #难点 ？疑点）：

一、 实验所用仪器：

1、ND — 501型微弱信号综合装置 A 、B 、C 、D 组合仪各一台

2、HB — 602型精衰减器一台

3、示 波器一台

4、信号线若干条

二、 实验原理部分：

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。

图1所示的典型方框图分成三部分：信号通道（相关器前那一部分）

。参考通道、相关

器（包括直流放大器）。 1、信号通道

信号通道是相关器前的那一部分、包括低噪声前置放大器，各种功能的有源滤波器，主 放大器等部分组成。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，扩大仪器的动态范围。

信号通道要求低噪声和高增益的性能， 前置放大器是锁定放大器的第一级，由于被测信 号很小，可能是100nv 到10nv 甚至更小，则要求前置放大器必须具备低噪声的特点。否则 将由于放大器本身的噪声将使信号淹没得更深。 由于半导体低噪声器件不断改善和对低噪声 电路的研究，目前国内外已生产出输入端短路电压为几

nV/^Hz 的前置放大器，目前已研 制出输入端短路噪声电压也能达到小于 nV 八Hz 数量级。

在测量中对于不同测量要采用不同的传感器， 各种传感器的输出阻抗不一样，即对前置 放大器而言就呈现出不同的信号源内阻。 为了得到最佳噪声性能，必须使前置放大器工作在

最佳信号源内阻的条件下。这样必须要设计不同最佳信号源内阻的前置放大器或采用输入变 压器匹配，使放大器满足在最佳信号源内阻的条件下工作，使噪声性能最佳。另外， 还必须 考虑前置放大器具备有足够的放大倍数（100或1000倍），强的共模抑制能力，较大的动态 范围等。

信号通道中的有源滤波器，有时也称相关器前有源滤波器，这是为了便于和相关器中的 低通滤波器不相混淆而取的名称。滤波器要根据干扰和噪声的不同类型可以采用带通、

高通、 低通、带阻带馅波等不同形式，或几种同时使用。有源滤波器通常也具有放大能力，如果滤 波器放大倍数还不

够，就要在相关器前再加入交流放大器。 2、 参考通道

互相关接收除了被测信号外，需要有另一个信号（参考信号）送到乘法器中，因此，参 考通道是锁定放大器区别于一般仪器，不可缺少的一个组成部分。作用是产生于被测信号同 步的参考信号输给相关器。通常锁定放大器的参考通道输出是和信号同步的对称方波， 用以 去驱动相关器的场效应管开关。 参考通道主要是由触发器、相移电路、方波形成电路和驱动 级等几部分组成。和信号同步的参考触发信号，可以是仪器内部产生或外部输入。 大部分产 品由外部输入，输入波形可以是正弦波、方波、三角波、脉冲等各种波形的周期信号。

触发电路有时也称过零电路，能把各种波形的参考信号变成一定波形的同步脉冲， 去触 发下一级电路。触发电路要求有很大的触发电平范围和很宽的工作频率范围， 通常触发电平 在几十毫伏到几十伏，频率从零点几赫兹到几百千赫兹或更高。

相移电路是参考通道的主要部件，它的功能是改变参考通道输出方波的相位，在 360。 内可调。大部分的锁定放大器的相移部分由一个 0° -100。连续可调的相移器，以及相移量 能跳变90°、180°、270°的固定相移器组成，从而达到360°范围内都能调的任何相移量。 对于相移器的相移精度以及相移一一频率响应都有一定的要求。

方波形成电路的作用是把相移器送来的波形变成同步的占空比严格为

1: 1的方波。（为

了抑制偶次谐波必须占空比严格为 1:1）。

驱动级把方波变成一对相位相反的方波， 用以驱动相关器中的场效应管开关， 根据开关 对驱动电压的要求，驱动级输出一定幅度的方波电压给相关器。 3、 相关器

这是锁定放大器的核心部分，在相关器的实验中已作了详细介绍， 要求相关器具有动态 范围大，漂移小，时间常数可调，线性良好等性能。

在我们了解了相关器的性能和介绍了锁定放大器的基本框图后，

可以得到锁定放大器具

有下列特点。

（a ）锁定放大器相当于以fR 为中心频率的带通放大器。等效信号带宽由相关器的时间 常数决定。用公式表示为：

容。（时间常数T 1 R 0C 0）

（b ）锁定放大器的等效噪声带宽 f N 由相关器决定，重写如下:

1

s 2 R Q C Q

由低通滤波器的时间常数决定R 0C 0

(1) 式中f s 为等效带通放大器信号带宽,

R o 、C o 为相关器的低通滤波器的滤波电阻和电 (2)

为了对锁定放大器的抑制干扰和抑制噪声能力有一个定量的了解。 根据实际仪器假设几

常数，最大值为300秒，即T i R 0C 0 300秒，代人（1）和（2）式，求得:

f s 1.06 10 3 Hz

（ 3） f N 1.67 10 3Hz

（ 4）

这些f s 和f N 的数值表明，锁定放大器具有十分窄的信号带宽和噪声带宽。如果工作

频率f s 为100kHz,这时，相当的带通放大器的 Q 值： f s

7 / 、

Q 9.4 10 （ 5） f s 这样高Q 的带通滤波器，是常规带通滤波器所不能达到的。同时，对于锁定放大器， 不 必担心这样高的Q 值，会由于元件的环境温度，工作频率，工作环境的变化带来不稳定。因 为相关器只是相当于带通滤波器，而不是一个真正的带通滤波器。如果真的有一个Q 108的 带通放大器，很可能由于元件，信号源频率等稳定性问题，而使实际系统无法工作。这里的 锁定放大器，是采用相关接收的原理，相当于一个“跟踪”滤波器。关键是“跟踪”两字。

由于信号和参考信号严格同步，也就不存在频率的稳定性问题。等效Q 值是由低通滤波器的 时间常数决定。对元件的稳定性要求不高，常规带通放大器的缺点这里不存在。

抑制噪声能力怎样？这是关心的问题。大家熟知白噪声电压和噪声带宽平方根成正比。 设仪器输入级等效噪声带宽 彳皿200KHz ，相关器的输出等效噪声带宽由上述假设的数据

为1.67 10 3Hz ，可以求得电压输出信噪比 S0/N0和电压输入信噪比Si/Ni 的关系

(6)

表明相关器使电压信噪比提高一万多倍。功率信噪比提供了

80分贝以上。这些数据充 分表明，采用相关器技术设计的锁定放大器，具有很强的抑制噪声能力。

上述只是讨论了基波，如果考虑到用方波作为参考信号的相关器，其他各次谐波的响应, 将会发现相关器的传输函数和方波的频谱一样，因此，相关器也是方波的跟踪匹配滤波器， 方波的基频是f s f R

（c ）当f s f R 时由V '2RV A cos 可知，锁定放大器的输入信号V i V?cos （ s t

）

R 1 和输出电压V 0的关系由下式决定：

V 。V?Kcos

（ 7）

（7）式表明，锁定放大器的输出为直流电压，并正比于输入信号的幅值 V?和参考信号

个数据，求出锁定放大器的信号带宽和噪声带宽。 目前国内外的产品，由面板可控制的时间

式中K 为锁定放大器的总放大倍数

为信号与参考信号之间的相位差 S 0/N 0

S i /N i 1.09 104