锁定放大器原理设计.docx

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锁定放大器原理设计

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）。

图1.锁定放大器的基本原理图

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，e1（t）为被检测信号，是VA（t）与背景信号Vn（t）的叠加，e2（t）为在接收设备中设法产生的与被检测信号VA（t）同步的参考信号VB（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。

图2.互相关接受示意图

其相关函数为：

由于噪声Vn（t）与参考信号VB（t）的相关性，RNB（τ）=0，因此有

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3锁定放大器中通常采用的相关器

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VA（t）和参考信号VB（t）分别为

则开关乘法器的输出信号为

可见开关乘法器的输出由和频（wA+wB）和差频（wA-wB）两部分组成。

当（wA=wB）或wA在wB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（（wA=wB）时，同步检测器的输出信号V0为

式中．KB为与参考信号幅度VB和低通滤波器传输函数有关的常数；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VA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。

图4.PSD的基本框图.

开关型乘法器的参考信号VB是频率wB的单位幅度对称方波。

与被测信号VA（t）相乘得到V1的信号为：

当（wA=wB）时，低通滤波器（LPF）的输出为：

式中，AL（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Vo与位相差φ成cosφ关系。

由V0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。

图５．相关器各点波形图

图5.相关器各点波形图。

（注：

图３中低通滤波器为反相输入。

因此，输出直流电压与V1反号，本图中为了更直观起见，画的低通滤波器不倒相，V0与V1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6.PSD对非同步信号的抑制。

（3）PSD的特性：

谐波响应

在PSD中．由于参考信号为对称方波．当输入信号频率ωA与参考信号的某奇次项频率（2n+1）ωB相同时，经低通滤波器滤波后输出的直流分量为

　当（２ｎ＋１）Ｂ＝Ａ时，

即相敏检波器的输出直流电压可能为

，

，

等

即当输入信号内含有参考信号频率fB的谐波成分时，PSD的输出电压内也含有各谐波成分的检出量，其电压传输函数与基波的比例为：

：

1/3：

1/5：

1/7：

…..

图7画出了PSD谐波响应特性。

图中各次谐波所对应的通带宽度由低通滤波器的等效噪声带宽所决定。

因此，PSD可以看成一个基波为参考频率fB的梳状滤波器。

图7.PSD的谐波响应

接下来是对组成锁定放大器的其他二部分的简单介绍：

1、信号通道

信号通道是相关器前的一部分，由低噪声前置放大器，各种功能的有源滤波器，主放大器等部分组成。

其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。

信号通道要求具有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，由于被测信小，有可能是100nV或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。

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条件下。

这样必须设计不同最佳信号源内阻的前置放大器或采用输入匹配变压器，使放大器在最佳信号源内阻的条件下工作，达到最佳噪声性能。

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。

滤波器要求根据干扰和噪声的不同类型可以采用带通，高通，低通，带阻，带陷波等不同形式，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的不可缺少的一个组成部分。

其作用是产生与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，用以驱动相关器的场效应管开关。

参考通道主要是由触发电路、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由外部输入。

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，频率从零点几赫到几百千赫或更高。

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，要求在360°内可调。

大部分的锁定放大器的相移部分由一个0°一100°连续可调的相移器，以及相移量能跳变90°、180°和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。

相移器的相移精度以及相移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，占空比必须严格为1：

1）。

驱动级是把方波变成一对相位相反的方波，用以驱动相关器中场效应管开关，根据开关对驱动电压的要求，驱动级必须输出一定幅度的方波电压给相关器。

3、相关器电原理框图

相关器实验插件盒的相关器电原理框图如图8所示：

图8.相关器电原理框图

主要由加法器，交流放大器，开关式乘法器（PSD），低通滤波器，直流放大器，参考通道方波形成与驱动电路组成。

这些部分的功能分别如下：

加法器：

由运放组成，有两个输入端：

一个是信号输入端，另一是噪声或干扰信号输入，把信号与噪声混合起来，便于研究观察相关器的抑制噪声能力。

加法器的输出通过面板把电缆插头引出可以观察相加后的波形。

交流放大器：

由另一运算放大接成反相放大，放大倍数为l，10，100。

乘法器：

由两个运算放大器和一对开关组成开关式乘法器（或称相敏检波器PSD）。

输出由面板电缆插头输出，供示波器观察波形。

F低通滤波器：

由运算放大器构成RC波器，时间常数由RC决定，面板控制时间常数0．1s，ls，l0s。

直流放大器：

低通输出的直流电压，由运放组成的直流放大器进行放大，放大倍数为l,10、100，分别由面板旋钮控制。

参考输入与方波驱动电路：

参考方波由面板电缆插座输入，经两运放变成相位相反的一对方波，控制开关式乘法器的开关，完成乘法器的功能。

4、锁定放大器

在我们了解了相关器的性能和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：

（1）、锁定放大器相当于以fB为中心频率的带通放大器，等效信号带宽△fS由相关器的时间常数决定。

用公式表示为：

式中R0，C0为相关器的低通滤波器的滤波电阻和电容。

（2）、锁定放大器的等效噪声带宽△fN由相关器决定，重写如下：

同样由低通滤波器的时间常数T1=R。

Co决定。

当fS=fB时，由公式

可知，锁定放大器的输入为以

时，输出电压V0由下式决定：

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。

该式表明。

锁定放大器的输出为直流电压．并正比于输入信号的幅值和与参考信号之间相位差的余弦的乘积。

改变输入信号和待测信号的之间的相位差。

可以求得输入信号的振幅和相位．

三、实验内容与测试

1、相关器的PSD波形观察及输出电压测量

（1）仪器：

①双踪通用示波器一台

②微弱信号检测技术实验综合装置：

多功能信号源插件盒1个相关器插件盒1个

宽带相移器插件盒1个相位计插件盒1术

频率计插件盒1个交流，直流，噪声电压表插件盒1个

实验电源及机箱2个

（2）实验步骤：

按图9所示用电缆或导线连接。

接通电源，预热二分钟，调节多功能信号源，使输出频率在lkHz左右。

用频率计测量信号源频率。

调节输出幅度旋钮，用交流、直流和噪声电压表测量输出交流电压，使输出100mV，置相关器直流放大倍×10，交流放大倍数×1。

用示波器观察PSD输出的波形。

并用交流、直流和噪声电压表测量相关器的输出直流电压，相关器低通滤波器的时间常数置1秒。

调节宽带相移器的相移量观察PSD的输出波形。

测量相关器输出直流电压与相关器的输入信号对参考信号之间相位差φ之间的关系，用相位计测量φ值的大小。

按图10中表1-1填写测试数据并描绘示波器显示PSD的输出波形。

图9.相关器PSD波形观察及测量实验框图．

2、相关器谐波响应的测量与观察

（1）实验仪器：

同实验1。

（2）实验步骤：

①把上述实验连接图略作如下改变。

宽带相移器输入信号由

输出（即n倍频或

频）送给。

多功能信号源功能”选择’置分频。

由于相关器的参考信号为输入信号的

分频，即相关器的输入信号为参考信号的n次倍频。

其它连接与测量方法同实验1。

②先置分频数为1，由示波器观察PSD波形及测量PSD输出直流电压，调节相移器的相移。

使输出直流电压最大，并观察示波器波形相同于全波整流波形，相位计测的相位差为0°。

记下上述数据。

改变分数n为2,3,4，5……，对于某一“n”值重复上述测量。

实测结果为：

奇次谐波输出的直流响应电压为基波的直流响应电压的

．偶次谐波的输出直流响应为0，PSD的输出波形如图１０所示：

图10.相关器谐波响应的各点波形

3、锁定放大器实验（该内容为附加内容，仅供感兴趣的同学做）

（1）实验仪器：

①双踪通用示波器一台

②微弱信号检测技术实验综合装置

相关器插件盒1个宽带相移器插件盒1个

选频放大器插件盒1个前置放大器插件盒1个

多功能信号源插件盒1个相位计插件盒1个

交流、直流。

噪声电压插件盒1个频率计插件盒1个

实验盒电源及机箱2个

③ND-501型精密衰减器1个

（2）实验步骤

①按图11用电缆连接。

图中低噪声前置放大器、选频放大器、相关器和宽带相移器四个插件盒构成一个完整的锁定放大器，如图中虚线所示框的部分。

其它的插件盒，示波器，衰减器为测试部分。

②接通电源，预热二分钟，调节多功能信号源使输出频率为1kHz左右、电压为100mV的正弦波，调节ND－601型精密衰减器的衰减为1000倍，输出为100µV，输给前置放大器。

前置放大器“增益”开关置×l0挡，Q值置“3”，选频频率置“1kHz”。

相关器“交流放大倍数”置×l0挡，“直流放大倍数”置×10挡。

“时间常数”置1s。

③用示波器观察由相关器“加法器输出”的信号通道放大的波形，调节选频放大器的选频频率．细调×0.1和×0.01档的波段开关和电位器．使输出信号电压最大。

然后，改Q为“30”，重复调节选频频率，使输出电压最大，表明选频放大器的谐振频率为信号频率。

然后，改示波器观察“PSD输出”，调节宽带相移的相移，使相关器直流输出为0，再把宽带相移的相移90°，由于示波器观察到“PSD输出”的波形为同相波形（与全波整流波形相似）。

这时相关器输出直流电压最大，即为锁定放大器的同电压，根据上述择的各种插件的放大倍数，输出电压应为10V，但由于放大倍数不十分准确，输出电压不一定正好是10V。

图11锁定放大器测试框图

思考题

1.锁相放大器得到的是直流信号，如果想得到交流信号，实验室一般用什么办法。

2.锁定放大器有哪些方面的应用？

3.