锁相放大器

锁相放大器实验

锁相放大器实验（Lock-in amplifier）,简称LIA。它是一个以相关器为核心的检测微弱信号仪器，它能在强噪声情况下检测微弱正弦的幅度和相位。学习本实验的目的是使同学了解锁相放大器的基本组成,掌握锁相放大器的正确使用方法。

一、锁相放大器的基本组成

结构框图如图1所示。它有四个主要部分组成:信号通道、参考通道、相关器（即相关检测器）和直流放大器。

x(t) 前放 滤波 放大 乘法 低通 自流放大器 U0 r(t) 放大 移相 方波 图1 锁相放大器的基本结构框架

1. 信号通道

信号通道包括:低噪音前置放大器、带通滤波器及可变增益交流放大器。

前置放大器用于对微弱信号的放大，主要指标是低噪音及一定的增益（100～1000倍）。 可变增益放大器是信号放大的主要部件，它必须有很宽的增益调节范围，以适应不同的信号的需要。例如，当输入信号幅度为10nV，而输出电表的满刻度为10V时，则仪器

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总增益为10V/10nV =10若直流放大器增益为10倍，前置放增益为10，则交流放大器的

5

增益达10。

带通滤波器是任何一个锁相放大器中必须设置的部件，它的作用是对混在信号中的噪音进行滤波，尽量排除带外噪音。这样不仅可以避免PSD（相敏检波器）过载，而且可以进一步增加PSD输出信噪比，以确保微弱信号的精确测量。常用的带通滤波器有下列几种：

（1） 高低通滤波器

图2为一个高通滤波器和一个低通波滤波器组成的带通滤波器，其滤波器的中心频率f0及带宽B由高低滤波器的截止频率fc1决定和fc2决定。锁相放大器中一般设置几种截止频率，从而根据被测信号的频率来选择合适的频率f0及带宽B。但是带宽滤波器带宽不能过窄，否则，由于温度、电源电压波动使信号频谱离开带通滤波器的通频带，使输出下降。

为了消除电源50Hz的干扰，在信号通道

中常插入组带滤波器。 （2）同步外差技术

上述高低通滤波器的主要缺点是随着被测信号频率的改变，高低通滤波器的参数也要改变，高低通滤波器的参数也要改变，应用很不方便。为此，要采用类似于收音机的

同步外差技术，原理框图如图3所示。这是一种单外差技术，PSD1实际上是一个混频器, 图2 高低通频滤波器原理，具有频率f0信号经放大滤波后进入混频PSD,其输出为和频项(fi+2f0)及差频fi,再经具有中心频率为fi带通滤波后,输出变为中频信号fi ， (幅度仍与被测信号的幅度成正比)再后,通过PSD2完成相敏检波后,得到解调输出U0,达到了对信号幅度的测量。外差方式的优点是采用固定中频fi 的带通滤波器,因而对不同被测信号频率均能适用;其次,由于采用固定中频带通滤波器,故滤波器的带宽及形状可以专门设计,所以本电路具有很强的抑制噪音的能力。 放大 滤波 f0 f0 fi?f0 PSD1 fi?2f0 通频fi 带通滤波 fi PSD2 直流放 大 U0 fi r（t） f0 参考振荡源f1混频 图 3 同步外差技术原理框图

（3） 同步积分技术

图4为同步积分器的电路图。 同步积分器是一种RC积分电路,用电子开关使其轮流导通。电子开关由参考信号形成的开关方波控制,K1、K2和K3同时动作。当信号输入后，电容C就轮流充电，由于它是一种积分电路，故输出可以抑制噪音。输出频率为f0的方波，其幅度与输入信号幅度成正比，从而达到了抑制噪音，提取信号的目的，所以同步积分器也相当于一种可变中心频率的带通滤波器。

图 4 同步积分器原理图 2．参考通道

参考通道的作用是提供锁相放大器中PSD的开关方波。这种波应是一个具有正负半周

00

之比为1:1,频率为F的方波。开关方波的相位能在0－360之间任意移动,以保证输出信号Ｕ0能达到正或负的最大。由于方波的对称性,可以消除偶次谐波的响应。

参考通道的输入为频率f的正弦波,经移相,整形后得到开关方波。因此,对参考信号的频率和幅度有一定的要求,通常幅度应大于100 mＶ以上。另外,输入信号的波形可以是非正弦波,因为它可以通过整形达到规范化。

移相电路可以用RC移相网络。模拟门积分比较器。锁相环等组成。 3.直流放大器

由PSD输出的信号是直流电压或缓慢变化的信号,因此后续的电路应为直流放大器。直流通道主要问题是放大器零漂的影响。由于PSD输出的直流信号可能很小(特别是对微弱正弦信号的检测),因此要选择低漂移的运算放大器作为直流放大器的前置级。其次,器件的1/f噪声也是引起输出电压波动的原因,因此要求有尽量小的1/f噪声。 4.相关器

详见相关实验。

二.锁相放大器的特性参量

任何仪器均有自己的主要性能指标,锁相放大器是一种微弱信号检测仪器,可以实现在噪声中微弱正弦信号的测量,因此它的主要特性参量就是根据这个要求而确定的。 1. 等效噪声带宽(ENBW)

为测量深埋在噪声中的微弱信号,必须尽可能地压缩频带宽度, 锁相放大器最后检测的是与输入信号幅度成正比的直流电压,原则上与被测信号的频率无关,因此,频带宽度可以做得很窄。可采用一级普通的RC滤波器来完成频带压缩。所以锁相放大器的等效噪声带宽(ENBW)的定义。一个普通的一级RC滤波器,其传输系数

K?11??RC222

其等效噪声带宽

?f??K2df??0??0df1 （1） ?2224RC1??RC如取RC时间常数T?1s,则?f?0.25HZ。 2. 信噪比改善(SNIR)

对于锁相放大器的SNIR,可用输出信号的噪声带宽f与锁相检波器输出的噪声带宽f

之比的平方根来表示,即

SNIR??fni （2） ?fno令?fni?10kHZ,RC?1s,若用一级RC滤波,则?fno?0.25HZ,那么信噪比改善为200倍。 3. 动态范围

图5 锁相放大器的动态特性

根据锁相放大器的三个性能指标,可以确定锁相放大器的动态范围,它们三者之间的关系如图5所示,FS为满刻度输入电平,OVL为最大输入过载电平,MDS为最小可检测电平。 锁相放大器的FS又称满刻度灵敏度,是指输出端电表指示达满刻度是输入的同相、同频正弦信号的有效值。显然放大器的增益越大,则信号输入越小。因此,锁相放大器的满刻度灵敏度FS通常是指仪器放大倍数为最大时,使输出达满刻度的输入电平。

锁相放大器的过载电平是指仪器不产生非线性失真时的最大噪声电平,它是在仪器最大增益状态下测量的。由于过载时会使仪器工作在非线性状态,从而使满刻度信号响应产生误差,通常定义使信号输出产生5%误差的噪声电平为本仪器的OVL。显然,OVL的值远大于FS值,其比值称为锁相放大器的动态储备,即

动态储备＝20?lgOVL （3） FS动态储备的物理意义是指锁相放大器在维持满刻度输出条件下,输入端所能允许的最坏情况下信噪的直接量度。

对于锁相放大器来说,由于采用PSD技术,只要低通滤波器的截止频率减少(相当于RC加大),则就可以排除更多噪声,可测量更微弱的正弦信号幅度,从理论上说,输入的噪声再大,也可以抑制,或者说,再小的正弦信号幅度也能被检测到。但实际上,太小的正弦信号不能被检测到,这是由于当相关器输出的信号过小时,则将被直流通道的零点漂移所淹没,从而使信号幅度不能被准确的测量。锁相放大器可检测的最小信号电平也是反映锁相放大器性能的主要指标之一。MDS越小,则可检测的信号幅度就越小。因此,MDS值远小于仪器的FS值,与其比值成为锁相放大器输出动态范围,即

输出动态范围＝20?lgFS （4） MDSMDS测量方法一般是将锁相放大器输入端短路,用记录仪记录其输出漂移量,再除以

信号通道增益,折合到输入总动态范围为

总动态范围=动态储备+输出动态范围＝20?lgOVLFS （5） ?20?lgFSMDS它是评价锁相放大器从噪声提取信号能力的主要因素,输入总动态范围一般取决于前置放

大器的输入端噪声及输出直流漂移,往往是给定的。当噪声大时应增加动态储备,使放大器不因噪声而过载,但这是以增大漂移为代价的。当噪声小时,可增大输出动态范围,相对压缩动态储备,而获得低漂移的准确测量值。满度信号输入位置的选择要根据测量对象,通过改变锁相放大器的输入灵敏度来达到。

三.双相锁相系统

现行锁相放大器规格型号很多,可分为单相和双相两种。在单相锁相放大器中,输入信号和输出直流电压之间的关系,由式V0(t)?K?escos?决定。它说明单相锁相放大器只能静态测量振幅和相位的动态测量。为了能动态地测量振幅和相位,20世纪70年代后期发展了双相锁相放大器(或称锁相放大器)。

双相锁相放大器原理如图6所示。双相锁相放大器能同时检测用直流角坐标系表示的同相分量和正交分量;或用极坐标表示的幅值和相位,改变?并不引起幅值的变化。由图可知,待测信号Vs(t,?s)经信号通道后,被分别输入两个PSD电路,它们又分别被两个相互正交的方波信号Vr(t,?r)和Vr(t,?r?90)所驱动,最后在同相PSD中输出正比于Vs(t,?s)幅

o?s??r),在另一正交的PSD中输出电压为Kescos(?s??r)。利用值es的电压Kescos(向量计算机可以得到被测信号的极坐标表示形式。

图 6 双相锁相放大器原理框图

近二三十年来,锁相放大器在原理上无甚新的突破,仅在扩展仪器功能,提高仪器性能方面作了不少努力。近几年,锁相放大器在国内发展也十分迅速,研制和生产了许多产品,开始形成了系列,性能基本上能满足个方面的需要。另外,也引进了许多国外产品。

四.实验内容

1.锁相放大器

实验仪器:双综示波器;微弱信号检测技术实验综合装置,其中包括相关器插件盒,宽带相移器插件盒,选频放大器插件盒,前置放大器插件盒。多功能信号源插件盒,相位计插件盒,交直流噪声电压表插件盒,频率计插件盒等;ND-601型精密衰减计。

完整的锁相放大器由低噪声前置放大器,选频放大器宽带相移器,相关器等部分组成,其余为测试仪器。电路连接与10-1实验相关器的PSD波形观察及输出电压测量基本一样,多功能信号源正弦输出的信号分成两路,一路进入宽带相移器,从其同相端输出作为参考信号进入相关器的参考输入;另一路正弦信号首先进入精密衰减输入,与噪声混合并衰减,从其输出进入前置放大器输出,经其放大后输出进入选频放大器,经选频后最后输入相关器的信号输入端。 实验步骤为：

(1) 接通电源,预热两分钟。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-601型精密衰减器,使其衰减1000倍,输出为100;前置放大器增益开关置1000,接地浮地开关置浮地,测量接地开关置测量;选频放大器的增益开关置?10,Q的值置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。 (2) 用示波器观察相关器加法器输出,细调选频放大器的频率调节旋钮?0.1和?0.01档,

使输出电压最大。改Q值为30,重复调节选频频率,使输出信号电压最大,表明选频放大器的谐振频率已调节到信号频率。

(3) 观察相关器的PSD输出,首先调节宽带相移器,使待测信号与参考信号相位差为90°,

相关器直流输出为0,说明相关器有了一定抑制干扰的能力。然后再调节宽带相移器,使待测信号与参考信号的相位差为0°,这时相关器的输出应达到最大输出直流电压,此电压即为锁相放大器的输出电压。根据选择的个插件盒的放大倍数,输出电压应为10V,但由于放大倍数不十分准确,输出电压要有点误差。

(4) 为了进一步了解锁相放大器检测微弱信号的能力,熟悉锁相放大器的性能和使用方法,

由精密衰减器给出更小的电压,例如10?V,1?V等信号进行测量。测量时,注意观察

输出信噪比,时间常数,输入灵敏度之间的关系,接地对测量微弱信号的影响等,并讨论这些现象。 2. 双相锁相放大器

在单相锁相放大器的基础上,再增加一个相关器插件盒,就构成了双相锁相放大器。它由低噪声前置放大器,选频地方且，同相输出的相关器,正交输出的相关器等五部分组成。其输出可以有两种表示方式:一种是用直角坐标表示,输出电压为同相分量和正交分量,或称实分量和虚分量;另一种是用极坐标表示方式,输出为信号的幅值和相位。两者之间可以互相转换。设同相输出分量为V1,正交输出分量为VQ,则

V1?Kescos? （6） VQ?Kessin? （7）

通过矢量变换电路直角坐标的表示方式可以转成极坐标的表示式。

A?V12?VQ2 （8）

??arctanVQV1 （9）

式中A,Y分别为被测信号的振幅和相位。

电路连接同实验1基本一致,不同之处是:宽带相移器的同相输出的方波信号连接到同相相关器的参考信号输入端,正交输出的方位信号连接到正交相关器的参考输入端；选频放大器输出的待测信号同时连接到两个相关器的信号输入端。

信号 实验步骤为：

（1）接通电源，预热两分钟。调节多功能信号源输出正弦波频率为1KHZ，电压为100mv，调节ND-601型精密衰减器，使其衰减1000倍，输出为100；前置放大器增益开关置100，接地浮地开关置测量；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。

(2)用示波器观察任一个相关器加法器输出，细调选频放大器的频率调节旋钮*0.1和0.01档，使输出电压增大。改Q值为30，重复调节选频频率，使输出信号电压最大，表明选频放大器的谐振频率已调到信号频率。

（3）用示波器的两个探头分别测量同相相关器和正交相关器的PSD输出，用相位计测量宽带相移器的同相和正交之间的相位差。调节宽带相移器的相移，使正交相关器的输出为零，则同相相关器输出为最大。若两相关器的放大倍数完全相同，则两次输出的最大电压应相同，并能从示波器中观察到两者相位差/2的波形。两个相关器的输出电压由式（6）和式（7）决定。

（4）为了进一步了解双相锁相放大器的性能，可分别测量几组同相相关器和正交相关器的输出电压，待测信号与各自参考信号之间的相位，用式（8），式（9）计算出极坐标形式的振幅和相位，并进行分析。

五．思考题与讨论

1．单相锁相放大器和双相锁相放大器有什么区别和联系？

2．根据所学习的锁相放大器知识，试设计一个锁相放大器应用的事例。

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