实验三 多点信号平均器.docx
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实验三多点信号平均器
实验三多点信号平均器
一、实验目的
（1）了解多点信号平均器的原理
（2）观察与测量多点信号平均器的输出特性
二、基本原理
多点信号平均器是一种信号处理装置，能从较强的干扰和噪声中提取信号，依据时域特性的取样平均来改善信噪比，复现被噪声掩没的信号波形。
它适用于重复信号的波形复现.在信号出现之后依次取多个信号样品，并按固定频率重复取样。
把每一个周期的许多取样信号，依次一一对应相加求平均，从而有效地改善了信噪比，对于多点信号平均器，可以由数字存储器或模拟存储器来实现求和平均，原理相同。
多点信号平均器的取样点的多少，与要求复现的波形精度有关。
取样点越多，复现波形越精确。
具体要采用多少点数，因根据要求复现的波形精度，成本及技术的可能性来决定。
目前采用数字存储器的多点信号平均器，通常选用1024个取样点。
采甩模拟存储器的多点信号平均器，通常选用120个取样点。
本实验是采用模拟存储器，优点是直观形象，便于理解，成本低廉，适于教学实脸。
这里只选用了8个取样点.虽然点数少了一些，但能更清楚直观地说明多点信号平均器的原理与特性。
模拟多点信号平均器的核心是门积分电路，门积分电路的单元电路如图3-1所示.它由电阻R，周期脉冲控制开关（场效应管或其它器件组成的）和积分电容C组成.图中，Vs为信
号源，Vo为电容C两端的输出电压。
设控制开关的门脉冲的周期为TR门宽为Tg，引入单位幅度的门脉冲函教
f（t）波形如图3-2所示.
21f（t）,,，sin,,t,oRn,1n,
2,,,R,,T/TTgRR式中为相对门宽，为门脉冲的圆频率。
门积分电路的门接通时，
R积分电阻为门断开时，积分电阻为?
。
引入单位幅度的门脉冲函数后，积分电阻与开关
Re能用等效积分电阻置换，这里
RR,ef（t）o（3-2）
于是,门积分电路便可用图3-3表示，形式上与普通积分电路相同。
只是电阻值是时间
的函数。
积分电路的微分方程为:
dVVVooi，,dtCR（t）CR（t）ee（3-3）
VV,Viis式中，为积分器的输入电压，在图3-3中，。
任何波形都可以用三角函数
表述，为了讨论简单，设
ˆV,V,cos[,（t,,）]i（3-4）
V,,i为输入信号的圆频率，为其幅值，为延迟时间，把（4）代入（3），解微式中，
分方程得:
,,,,,,,t,t,,，cos（）cos（）RCV,V,e，[]oi,,,,221，（RC/）1，（RC/）
,,,,,,,ˆV，nt,,cos[（）]n1siniR，{,,,nRCn,1,,21，[（，n）]R,
,,,,,,,,t,，,nt,,cos（）cos[（）]R，RC,e，
RCRC22,,,,1，[（，n）]1，[（，n）]RR,,
t,,,,，cos（）,RC,e}
RC21，[（,，n,）]R,（3-5）
RC,,arctan,式中，（3-6）
,（,n）RCR,,arctan,,（3-7）
,（,）nRCR，，1,根据物理意义简化（3-5）。
对于多点信号平均器，通常有，若被测信
RC，，1,号中不含有直流项，还有因此有:
RC21，[（,，n,）]，，1R,
21，（,RC/,），，1
于是，式（3-5）简化为:
,,,,,,,ˆV，nt,,cos[（）]n1siniR,V,{,o,,nRC,n12,,1，[（，n）]R,
,t,,,,,,nt,,cos[（）],RRC},e
RC2，,，n,1[（）]R,（3-8）式（3-8）为焖几分电路的传输函数。
若考虑输入信号频率接近于直流，则式（3-5）中只有前两项比较大，其他两项可以忽略，
于是
,t,,,,,,,t,,，cos（）cos（）RCV,V,e[]oi22，,RC,，,RC,1（/）1（/）（3-9）
R
这是电路相当于电阻为，电容为C的低通滤波器。
,,R对（3-8）式讨论，只考虑的情况（其他两种情况的讨论，有兴趣的同学可在课
下尝试）
,,R当时，输入信号频率等于门脉冲频率的基波。
ˆ,tV,,sinniRCV,cos,,,[1,e]oR,,由式8略去小项得:
（3-10）由3-10可知:
RC,TeTe,1.时间常数。
称为等效时间常说或观察时间常数。
令积分器的时间常T,RCT,T/,oeo数，故
Vcos,,iR2.输出电压为输入信号在取样点处的电压，改变延迟时间，输出电压按
T,R变化。
若从0变到，则输出便是一个完整周期的正弦波。
3.对取样门宽的要求:
要不失真的恢复波形，就要求在输入电压一定的条件下输出电压没有衰减，即在式
,sin,1,,（3-10）中，应该有
所以应该取较小的。
设以输出幅度下降3db为下限。
求得
,0.45（3-11）
上式表明，取样门宽不能大于被恢复信号周期的0.45倍，必然会产生大于3db的衰减。
三、多点信号平均器的框图
多点信号平均器实验插件盒的电原理框圈.如图3-9所示。
由加法器、八个取样点的信
号平均器、跟随器、参考输入电路、控制脉冲产生电路等部分组成。
面板图如图3-10所示.，电原理图如3-11所示。
四、实验仪器
（a）双踪通用示波器一台
（b）微弱信号检测技术实验综合装置一台
多点信号平均器插件盒1个
多功能信号器插件盆1个
宽带相移器插件盆1个
相位计插件盒1个
频率计插件盒1个
交流、直流、噪声电压表抽查件盒1个
实验盒电源及机箱3个
五、实验内容与测试
多点信号平均器出输出特性的现察与测量.
实验连接原理框图
按图3-12所示连接，接通电源，预热二分钟，多功能信号源置正弦波输出，调节输出幅度和频率，使输出电压为1V，频率为1kHz左右。
输出电压分成两路，一路输给多点信号平均器.作为输入信号。
另一路输给宽带相移器，作输入信号，相移器的输出作为多点信号平均器触发（由参考输入端输入）。
用相位计测量多点信号平均器的输入信号与触发信号之间的延迟时间。
用示波器观察多点信号平均器的输入、输出波形，多点信号平均器的时间常数里0.2s,“正常”“比较”开关盆“正常”。
多点信号平均器参考输入的触发信号，相对于愉入信号的延迟时间，由宽带相移器的
,,相移量平决定。
与有下列关系决定:
,TR（3-32）,360
式中T为触发信号的周期。
R
改变相移量就改变了延迟时间，测出频率f、R、ψ，就可以求出延迟时τ。
接通电源，预热二分钟。
调节多功能信号源，用正弦波输出，使输出频率在1kHz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、嗓声电压表测量输出电压，调节多功能信号源输出幅度。
使输出500mV。
置多点信号平均器时间常数为0.2S，由示波器观察与对比多点信号平均器的输入与输出波形。
改变宽带相移器的相移量，用相位计测出相移量，根据（3-32）式求出参考输入信号相对于被测信号的延迟时间。
改更不同的延迟时间τ，观察输出波形。
（示波器外同步，同步信号由参考信号提供〕。
改变多功能信号源的输出波形（三角波或方波），观察对比多点信号平均器输入输出波形。
重复上述正弦波的实验。
实验四锁定放大器原理实验
一、目的要求
（1）了解锁定放大器的原理及典型框图。
（2）根据典型框图，连接成锁定放大器。
（3）熟悉锁定放大器的使用方法。
（4）本实为综合性实验包括相关器原理，锁相放大器原理，信号通道和参考信道的构成
原理等知识点，实验中会使用到精密衰减器，微弱信号检测综合装置，双踪通示波
器。
实验内容充足，学生通过搭建电路，测量工作点波形，达到深化理论教学锻炼
学生动手能力的目的。
二、基本原理
随着科学技术和生产的发展，存在着大量淹没在噪声背景中的微弱信号需要检测。
微弱信号检测技术已成为深化认识自然，.探索新材料，创造新器件的重要工具。
微弱信号检测这种专用技术，最根本的目的是改善信噪比。
当信号频率和相位已知时，可以证明:
采用相干检测技术能使信噪比改善最大，并是恢复信号幅度的最佳技术，采用这一技术国外62年出现了第一台锁定放大器。
从62年以来，为了适应迅速发展的的科学技术的要求，在国外提高锁定放大器性能的研究工作从未间断，特别是七十年代后期到现在发展更为迅速，不断取得新的进展。
锁定放大器已成为现代科学技术中必不可少的常备仪器。
国内72年南京大学首先从事这方面的研究工作，74年研制成了第一台实验室样机，继后物理所等单位相继进行了这方面的研究工作，78年才有工厂生产出产品。
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已知时，采用相干检测技术能使输出信噪比达到最大，徽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4-1所示。
图4-I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嗓声。
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嗓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嗓声电路的研究.目前国内外已生产出输入端短路噪声电压为几nV/的前置放大器，目前已Hz
研制出输入端短路噪声电压也能达到小于nV/数量级。
.Hz
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，即对前置放大器而盲就星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，不可缺少的一个组成部分。
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，用以去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?
-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——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，在相关器的实脸中已作了详细介绍，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广大器的基本框图后，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f为中心频率的带通放大器。
等效信号带宽由相关器的时R
间常数决定。
用公式表示为:
1
,fs,RC00（4-1）
f式中，为等效带通放大器信号带宽，R、Co为相关器的低通滤波器的滤波电阻和电容。
0s
时间常数T=RC。
100
f（b）锁定放大器的等效噪声带宽由相关器决定，重写如下:
N
1,
ff,,,,ns22RC00（4-2）
由低通滤波器的时间常数决定。
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
个数据。
求出锁定放大器的信号带宽和嗓声带宽。
目前国内外的产品，由面板可控制的时间常数，最大值为300秒，即T=RC=300秒，代入（4-1）和（4-2）式，求得:
100
3,,f,1.06，10Hzs（4-3）
3,,f,1.67，10HzN（4-4）
f,f这些.和的数值表明，锁定放大器具有十分窄的信号带宽和噪声带宽。
如果工作sN
频率f为l00kHz，这时，相当的带通放大器的Q值:
s
f7sQ,,9.4，10
f,s（4-5）
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
8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=10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.以就不存在频率的稳定性间题。
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?
这是关心的间题。
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?
f=200KHz，相关器的输出等效噪声带宽由上述假设的数据Ni
-3为1.67×10Hz，可以求得电压输出信噪比人S/N和00
电压输入信噪比Si/N的关系。
i
SNf/,4Ni00,,1.09，10
SNf/,iioi（4-6）
表明相关器使电压信噪比提高一万多倍。
功率信噪比提高了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，其它各次谐波的响应.将会发现相关器的传输函数和方波的频谱一样，因此，相关器也是方彼的跟踪匹配滤波器，方波的基频是f==fsR
Vi,Vicos（,t，,）（c）当f=f时由（1-4）式可知，锁定放大器的输入信号sRs和输出电压Vo的关系由下式决定:
ˆV,VKcos,oi
式中K为锁定放大器的总放大倍数。
ψ为信号与参考信号之间的相位差。
（4-7）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Vi和与参考信号之间的相位差ψ的余弦的乘积成正比。
改变参考信号和待测信号之间的相位差，可以求得输入信号的振幅和相位。
在结束这一节之前，对于锁定放大器的名称作一说明。
锁定放大器（Lockinamplifier）
的“锁定”两字，是指仪器有响应的信号频率锁在参考信号频率f上。
参考信号可以是仪R
器内部产生或由外部输入信号触发。
但是，有一点必须指出，锁定放大器和一般的带通放大器不同。
输出信号并不是输入信号的简单放大，而是把交流信号变成了直流信号，这实际上并不符合常规放大器的定义。
锁定放大器命名为“锁定检测仪”或“同步检测仪”可能更确切一些，或命名“锁定分析器”更好。
三、实验仪器
（a）双踪通用示波器一台
（b）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、噪声电压表插件盒1个
频率计插件盒1个
实验盒电源及机箱2个
（c）ND-602型精密衰减器1个
四、实验内容与测试
锁定放大器原理的测试
按图4-3用电缆连接。
图中低噪声前置放大器，选频放大器，相关器，宽带相移器四个插件盒构成一个完整的锁定放大器，图中虚线所框的部分。
其他的插件盒，示波器，衰减器为测试部分。
接通电源，预热二分钟，调节多功能信号源.输出正弦波，频率为1kHz左.右。
电压为100mV，调节ND-602型精密衰减器，使衰减1000倍，输出为100Μv，输给前置放大器。
前置放大器“增益”开关里、置100,"接地”“浮地”开关置“浮地”，“测量”“短路”开关置“测量”.选频放大器的“增益”开关置×10,Q值置"3"，选频频率置"1kHz"。
相关器“交流放大倍数”置×10，“直流放大倍数”置×10,“时间常数”置1S。
首先用示波器由相关器“加法器输出”观察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，表明选频放大的谐振频率为信号频率。
然后，改示彼器观察"PSD输出”。
调节宽带相移器的相移，使相关器直流输出为0，再相移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。
即为锁定放大器的输出电压，根据上述选择的各插件盒的放大倍数，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为10V。
为了进一步了解锁定放大器检测徽弱信号的能力，熟悉锁定放大器的性能和使用方法。
用上述实验组成的锁定放大器，同上述方法，测量更小的信号。
例如，由精密衰减器给出lOuV,luV等微弱信号进行测量.或改变频率，进行测量。
测量时，注意观察，输出信噪比及时间常数与输入灵敏度之间的关系。
接地对测量微弱信号的影响，并讨论这些现象。
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