微弱信号检测与锁定放大器

T/2 x(t)y(t)dt
T/2
T
两个随机过程的相关性
– 互相关 函数：
LiT m 1 Ryx()
T/2 y(t)x(t)dt
T/2
T
随机过程的相关性
– 自相关函数：
R()Lim T1TT//22x(t)x(t)dt T
白噪声，自相关函数
相关检测
实验室中的典型噪声环境
高频信号 开关电源 大功率高频振荡器 噪声
单位带宽的相对功率
+7 +6 +5 +4 +3 +2 10 1 0
-8
市电
50Hz
100Hz
调幅
150Hz
广播 调频
广播
典型宽带
干扰范围
200Hz
-6
-4
-2
0
频率
+2
+4
+6
+8
实验室环境的噪声与干扰分布
检测系统的屏蔽与接地
乘法器
x(t) S(t) n(t)
信号通道
延迟
参考通道
x(t ) S(t )n(t )
积分器
Rss(τ)
相关检测
设有信号()，通过如上图所示的功能 器件，则有：
R () T 1 [S (t) n (t)[S ](t) n (t)d ]
RS(S)R n(n)
微弱信号检测与锁定放大器
噪声与干扰
通常把由于材料或器件的物理原因产 生的扰动称为噪声。
把来自外部的原因的扰动称为干扰， 有一定的规律性，可以减少或消除。
锁定放大器要解决的就是如何在很强 的外部干扰环境中检测弱信号。
噪声与干扰
宽带的或持续的无用信号 通常把可以减少或消除的外部扰动称为
干扰，把由于材料或器件的物理原因产 生的扰动称为噪声。
0 (a) F=0o
V
Êä³ö
V
t
¾-µÍͨºóµÄÊä³ö (Æ ½¾ùµçѹ)
t
V
0
t0
V
V
0
t0
V
V
Æ ½¾ùµçѹ
0
t0
t0 V
t0 Æ ½¾ùµçѹ
V t0
t
t Æ ½¾ùµçѹ
t
(b) F=180 o
(c) F=90 o
(d) ÈÎÒâÏàλ
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锁定放大器的改进
矢量型：两个正交的参考信号
等 抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高
锁定放大器的工作原理
年第一台仪器问世，发现俄歇效应。据 统计，已在几百种场合中得到应用。在 弱信号探测仪器中锁定放大器是一个非 常重要的品种。
信噪比可低达。（相当于值）。
两个随机过程的相关性
对两个信号，定义相关函数 互相关 函数
LiT m 1 Rxy()
如果参考信号是“干净”的，则只剩下第 一项。
相关检测的矢量解释
参考信号： 可看成是基矢(正弦波)或基矢的线性组合
（非正弦波，如方波） 检测信号： 可看成是由多个正弦信号的线性组合 旋转坐标系，ω 检测信号绕参考信号作相对转动
相关检测的矢量解释
检测结果(对基矢投影)： 被检信号与参考信号相对稳定不动；有
± » ²â
Ç°ÃÖ
ÐÅ ºÅ
³Ë · ¨÷Æ
²Î ¿¼
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Íâ
ÚÄ ÄÚ ²¿ Õñ µ´
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DC· Å ´ó
Êä ³ö
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T
Ïà λ
· ½ ²¨ú² Éú
V
²âÁ¿ÐźÅ
2 Vs
0
t
V1
²Î¿¼ÐźÅ
+
+
+
0


V 2 Vs
Êä³ö
噪声与干扰
瞬时的或窄带的无用信号 市电或（整流等）；电台；开关通断；
高能量的脉冲电流或电压；机械振动； 太阳活动；雷电等
实验室中的典型噪声环境
电源布线，仪器内部功率单元等 的谐波 可控硅斩波，整流，电感等造成正弦波
失真或毛刺 电气触点的通断 触点的通断总伴随着电火花或电弧
VS (t)
VP (t)低通 VO (t)
()
VR (t)
VS (t)
VP (t)低通 V ’(O) (t)
V ’R () (t)
锁定放大器的改进
正弦化型：参考信号正弦化，消除多窗 口
多基矢
f
3f 5f
锁定放大器的改进
– 正弦化
f
稳定输出直流 被检信号与参考信号有相对运动；有不
稳定输出交流 通过阻容电路（积分器）可滤除交流，
取出直流
锁定放大器的输出
θ
θ是检信号与参考信号的夹角
参考信号的要求
从以上特点可知，参考信号一定要有被 测信号中某个特定成分。
参考信号源同时驱动被测设备，在实验 室常用这种方法。
从被测信号中提取同步信号，再转为本 地的参考信号。在无线通讯中只能 用这 种方法，如电视。
传输窗口（参考信号：方波）
相对振幅
fR
3fR
频率
5fR
偶次分量的测量
利用锁相环产生两倍频的参考信号 方波只有奇次谐波，但如灯泡的光的频
率是驱动信号频率的两倍。 用锁相环产生倍频。
乘法器的工作过程
被测信号
+
V 接差动
- 积分器
信号地
参考信号
积分器工作过程
100% ＞
f
低通滤波器及特性
接地
接大地： 消除电位差；消静电。 接信号地： 信号的公共点，提供信号回路，减少阻
抗。低频以下可采用一点接地，以上高 频可采用大面积多点接地。还要注意区 分模拟地和数字地。
测量技术的分类
非相关测量 普通的电压表，示波器，频率计等 使用方便，用途广泛
相关测量 锁定放大器，同步积分器，数字滤波器
噪声的引入: 电容性偶合：电场引起，噪声源内阻高
电感性偶合：磁场引起，噪声源内阻低
噪声的屏蔽
电容性偶合： 降低电路的阻抗， 在噪声源与信号线之间建立导电屏障，
屏障接地。例屏蔽线，铜罩壳等。
噪声的屏蔽
电感性偶合 减少回路面积， 用铁磁性物质包围噪声源。例如，变压
器的外壳，双绞线。