微弱信号检测与锁定放大器

相关检测
设有信号S(t)，通过如上图所示的功
能器件，则有：
1 R( ) [ S (t ) n(t )] [ S (t ) n(t )] dt T
RSS ( ) Rnn ( )
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：
–
锁定放大器的输出
Vo=Vi cosθ
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）
检测系统的屏蔽与接地
噪声的wenku.baidu.com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。
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，ωR – 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
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。
噪声与干扰
瞬时的或窄带的无用信号
市电 50Hz 或 100Hz （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
50Hz
电源布线，仪器内部功率单元等 50Hz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
微弱信号检测与锁定放大器
上海交通大学物理实验中心 杨文明
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
V (t) V ’(t) RR
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
o
t
t
Æ ½¾ù µ ç ѹ
V t 0
Æ ½¾ù µ ç ѹ t (d) È Î Òâ Ï à Î »
F=180 o
锁定放大器的改进
矢量型：两个正交的参考信号
V S (t) V P (t) 低通 V O (t)
VS(t)
V S (t)
V R (t) V P (t) 低通
V ’(t) V (t) OO
两个随机过程的相关性
对两个信号，定义相关函数
–
互相关Rxy 函数
Rxy
1 ( ) Lim T
T
T /2
T / 2
x(t ) y (t )dt
两个随机过程的相关性
–
互相关Ryx 函数：
Ryx
1 ( ) Lim T
T
T /2
T / 2
y (t ) x(t )dt
–
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 1/f 噪声
–
+7
市电
+6 50Hz 150Hz +5
调幅 广播 典型宽带 干扰范围
调频 广播
单位带宽的相对功率
+4
100Hz
+3 200Hz
+2
10
1
0 -8 -6 -4 -2 0 +2 +4 +6 +8
频率 实验室环境的噪声与干扰分布
–
锁定放大器，同步积分器，数字滤波 器等 抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高
锁定放大器的工作原理
1962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10-5。BW=0.0004Hz（相当 于Q值=108）。
随机过程的相关性
–
自相关函数：
T /2
1 R( ) Lim T
T
T / 2
x(t ) x(t )dt
白噪声，自相关函数=0
相关检测
乘法器
x(t ) S (t ) n(t )
信号通道 参考通道
积分器
Rss(τ)
延迟
x(t ) S(t ) n(t )
t
V1
² Î ¿ ¼Ðź Å
0 V 2 Vs 0
+
Ê ä ³ ö
+
+
t
¾µ Í Í ¨ º ó µ ÄÊ ä ³ ö (Æ ½¾ù µ ç ѹ ) t (a) F=0
o
V 0 V 0 V 0 (b)
Ê ä ³ ö
V t 0 V t 0
V t 0 V t 0 Æ ½¾ù µ ç ѹ V t 0 (c) F =90
°Ã Ç Ö Ë ²  ¨÷ Æ
÷Å Ö ²
é à Á ô ¶ È DC² Å ´ ó Ë ² ³ ¨÷ Æ ý ² » Ö Æ ÷ T ² ¿ Î ¼ Å Å Ð º ä ³ Ê ö
Í â à Î Ï » Ú Ä Ú ² Ä ¿ Õ ñ µ ´ ½ ² ² ¨ú ² É ú
V 2 Vs 0
² â Á¿ Ðź Å
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。1MHz低频以下可采用一点接地， 10MHz 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 –
相对振幅
频率
fR
3fR
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
±² » â Å º Ð Å