鎖相放大器的原理實驗報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上鎖相放大器的原理實驗報告摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微弱信號的檢測越來越重要。微弱信號檢測是利用 電子學(xué)、信息論、物理學(xué)和電子計算機的綜合技術(shù)。它是在認(rèn)識噪聲與信號的物理特性和相關(guān)性的基礎(chǔ)上，把被噪聲淹沒的有用信號提取出來的一門新興技術(shù)學(xué)科。鎖相放大器就是檢測淹沒在噪聲中微弱信號的儀器。它可用于測量交流信號的幅度和位相，有極強的抑制干擾和噪聲的能力，極高的靈敏度，可檢測毫微伏量級的微弱信號。鎖相放大器可以理解為用噪聲頻帶壓縮的方法，將微弱信號從噪聲中提取出來。本實驗通過測量鎖相放大器的工作參數(shù)和特性，掌握相關(guān)檢測原理以及鎖相放大器的正確使用方法。關(guān)鍵詞：鎖相放大器；微弱

2、信號放大；PSD輸出波形；諧波響應(yīng)一、 引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)研究領(lǐng)域向宏觀和微觀不斷深入，常常需要檢測極微弱的信號，如物理學(xué)中的表面物理特性，光學(xué)中的拉曼光譜、光聲光譜、脈沖瞬態(tài)光譜，生物學(xué)中的細(xì)胞發(fā)光特性、生物電的測量等。在這些測量過程中，待測的微弱信號常常淹沒在強大的背景噪聲之中，使用常規(guī)的檢測手段就無法達(dá)到目的。而且隨著科學(xué)的發(fā)展，對實驗數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性、精確性的要求也越來越高，因此，微弱信號的檢測就越來越重要，自60年代初開始，關(guān)于信號檢測與處理的技術(shù)開始產(chǎn)生并迅速發(fā)展，現(xiàn)已逐漸形成一專門的邊緣科學(xué)，在物理、化學(xué)、生物、天文、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、材料等學(xué)科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 鎖相放

3、大器（Lock-In Amplifier，簡寫為LIA）就是檢測淹沒在噪聲中微弱信號的儀器。它可用于測量交流信號的幅度和位相，有極強的抑制干擾和噪聲的能力，極高的靈敏度，可檢測毫微伏量級的微弱信號,能測量到輸入信噪比低至10-5的微弱正弦量。自1962年第一臺鎖相放大器商品問世以來，鎖相放大器有了迅速發(fā)展，性能指標(biāo)有了很大提高，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的很多領(lǐng)域。目前全世界已有多個廠家生產(chǎn)該儀器本實驗使用由南京微弱信號檢測中心研制的微弱信號綜合實驗儀來介紹鎖相放大器的基本工作原理與使用方法，通過本實驗可以了解鎖相放大器的基本特點和應(yīng)用方向。二、 實驗(一) 實驗原理鎖相放大器就是檢測淹沒在噪聲

4、中微弱信號的儀器。它可用于測量交流信號的幅度和位相，有極強的抑制干擾和噪聲的能力，極高的靈敏度。(二) 實驗內(nèi)容1. 參考信號通道的特性研究調(diào)節(jié)多功能信號源的輸出信號為正弦波，用頻率計測量其頻率，用交流直流 噪聲電壓表測量信號的幅度，調(diào)節(jié)輸出信號的頻率為1kHz左右，幅度大小為100mV左右。按下寬帶移相器0度移相按鈕，調(diào)節(jié)0度100度相位調(diào)節(jié)按鈕，用示波器觀察寬帶移相器的輸入和輸出信號的波形的變化，最后使相位差計顯示參考信號和輸入信號的相位差分別為0度、90度、180度、270度對比畫出寬帶移相器的輸入和輸出信號的波形。 改變信號的幅值和頻率，觀察同相輸出信號幅值和頻率的變化，并做簡要分析。

5、調(diào)節(jié)信號源，使輸出波形分別為三角波和方波，重復(fù)上述觀測。2.相敏檢波器的特性研究及主要參數(shù)測量a. 相敏檢波器PSD輸出波形和電壓測量按圖接線，置交流放大倍數(shù)為×1，直流放大倍數(shù)為×10，相關(guān)器低通濾波時間常數(shù)置1秒，調(diào)節(jié)寬帶移相器的相移量，用示波器觀察信號、參考信號及PSD的輸出波形并分析它們之間的關(guān)系，測量相關(guān)器輸出直流電壓大小與信號、參考信號之間幅值及相位差的關(guān)系，用相位計測量值大小，在0度360度范圍內(nèi)作PSD輸出直流信號Udc和輸入信號Ui的比值Udc/Ui與相位差的關(guān)系曲線度與理論公式對比（必須有0度、90度、180度、270度以及直流輸出最大和最小的數(shù)據(jù)）。其

6、中Udc為相關(guān)器輸出直流電壓，Kac為交流放大倍數(shù)，Kdc為直流放大倍數(shù)，為輸入信號的幅值，為相位差。b. 相關(guān)器的諧波響應(yīng)的測量與觀察將寬帶移相器的輸入信號接至多功能信號源的“倍頻.分頻輸出”，多功能信號源功能“選擇”置“分頻”，此時，參考信號的頻率為信號頻率的1/n次倍。 先置分頻數(shù)為1，調(diào)節(jié)移相器的相移，使輸出直流電壓最大，記錄輸出直流電壓的大小。改變n的數(shù)值分別為2,3,4,5.，進(jìn)行上述測量，根據(jù)測量結(jié)果畫出相關(guān)器對諧波的響應(yīng)圖。c. 相干器對不相關(guān)信號的抑制多功能信號源的輸出正弦信號為相關(guān)器的輸入信號，低頻信號源的輸出信號作為相關(guān)器的干擾信號，由相關(guān)器的“噪聲輸入”端輸入。由示波器

7、觀察相關(guān)器的“加法器輸出”波形與“PSD輸出”波形，用電壓表測量輸入信號，干擾信號，相關(guān)器輸出信號大小，由頻率計測量信號和干擾信號的頻率。 選擇相關(guān)器的交流放大倍數(shù)為×1，直流放大倍數(shù)為×10，時間常數(shù)1秒，調(diào)節(jié)多功能信號源的頻率為200Hz(可以任選)，電壓為100mV，調(diào)節(jié)低頻信號源的輸出電壓為0(即相關(guān)器輸入信號不混有干擾信號)，調(diào)節(jié)寬帶相移器的相移量，使相關(guān)器輸出的直流電壓最大。記錄“加法器輸出”，“PSD輸出”波形及相關(guān)器輸出的直流電壓(正比于輸入信號的有效值)。調(diào)節(jié)低頻信號源的輸出電壓為300mV，即干擾電壓為待測量信號壓的3倍。任選一工作頻率(例如為930Hz

8、)。由示波器觀察“加法器輸出”“PSD輸出波形”，觀測此時被測信號與干擾信號波形及相關(guān)器的輸出直流電壓變化。改變干擾信號的頻率，觀察相關(guān)器對不相關(guān)信號的抑制能力，對實驗現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，分析相關(guān)器抑制干擾的能力。二、 實驗結(jié)果的討論和分析1. 參考信號通道特性研究利用多功能信號源輸出正弦波，其頻率為786.98hz，電壓的有效值為101mV，峰峰值為304mv，調(diào)節(jié)相移器的0度、90度、180度、270度移相按鈕，示波器ch1通道是輸入的正弦波形，ch2通道輸出的是通過移相器后的信號波形，記錄如下：相位0度90度圖像相位180度270度圖像調(diào)節(jié)0°100°相位調(diào)節(jié)旋鈕，增大移相

9、的角度時，波形沒有變化，方波略向左移。輸入信號（正弦波）峰峰值Upp/V輸出信號（方波）峰峰值Upp/V0.100100.19910當(dāng)增大輸入信號的幅值時， ch2通道的輸出信號的電壓幅度不變，其峰峰值一直為10V。輸入信號（正弦波）頻率f/khz輸出信號（方波）頻率f/khz0.9990.9990.5000.5001.5741.574當(dāng)改變輸入信號的頻率時，ch1通道的輸入信號和ch2通道的輸出信號的頻率同時改變，而振幅不變，但兩者的頻率一直保持相等。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是：通常通過移相器產(chǎn)生的信號是與原信號同頻率的占空比為1:1的方波信號，方波的幅度為1，不會隨著輸入信號的幅度而發(fā)生改變，但

10、是移相器移動角度，會使所得方波發(fā)生移動。2. 相敏檢波器的特性研究及主要參數(shù)測量a. 相敏檢波器PSD輸出波形和電壓測量測量相關(guān)器輸出直流電壓大小與信號、參考信號之間幅值及相位差的關(guān)系（Ui=100mv）在不改變輸入信號的幅值情況下記錄直流電壓Udc和相位差的大小圖9 Udc/Ui-關(guān)系曲線在不改變輸入信號的幅值情況下直流電壓輸出信號與輸入信號的比值Udc/Ui和相位差成余弦關(guān)系。實驗測量的表達(dá)式約為Udc=10Uicos理論表達(dá)式約為Udc=9Uicos相關(guān)器就是實現(xiàn)參考信號和被測信號相關(guān)函數(shù)的電子線路，由乘法器和積分器組成。一種開關(guān)式乘法器即相敏檢波器（PSD），積分器即為RC低通濾波器。

11、加在PSD上的被測信號和方波信號經(jīng)過乘法，輸出信號再經(jīng)過低通濾波器后，交流部分會被濾去，只有直流部分會被輸出，且Udc=CUicos。b. 相關(guān)器的諧波響應(yīng)的測量與觀察設(shè)置參考信號的頻率為信號頻率的1/n次倍，輸入電壓Ui=100mv。分頻時輸出直流電壓的最大值與相關(guān)器對諧波的響應(yīng)圖nUmax/mvPSD波形11.522030.3464050.1926070.1928090.110分頻時輸出直流電壓的最大值（實驗值、理論值）圖10 Umax-n（n為正整數(shù)）關(guān)系曲線當(dāng)分頻時，參考信號的頻率為信號頻率的1/n，且n為偶數(shù)時，輸出直流電壓近于零，而n為奇數(shù)時，輸出電壓會有直流部分，并且隨著n的增大

12、，直流部分減小。這表明被測信號中的奇次諧波成分在輸出信號中仍占有一定比例，或者說相關(guān)器對奇次諧波的抑制能力有一定限度，并且隨著奇數(shù)的增大，抑制能力越來越強。C相干器對不相關(guān)信號的抑制fi=199.75Hz，干擾信號的有效值Ui=100mv，其中n為不相關(guān)信號與輸入信號的頻率之比。未接噪聲信號最大值為1.074VnUo（輸出）/V11.823-1.32021.07431.044-1.09941.07451.061-1.08761.07471.069-1.080實驗現(xiàn)象總結(jié)：只有當(dāng)n=1.3.5.7時，相關(guān)器輸出直流電壓有波動，且隨著n的增加變化范圍減小相關(guān)器對沒有倍數(shù)關(guān)系以及有倍數(shù)關(guān)系并且倍數(shù)為

13、偶數(shù)的不相關(guān)信號的抑制作用是較為明顯的，直流電壓輸出近于沒有干擾信號時的直流電壓輸出。但是相關(guān)器對于有奇數(shù)倍數(shù)關(guān)系的不相關(guān)信號的抑制能力有一定限度，但是隨著奇數(shù)倍的增大抑制能力會增大，當(dāng)倍數(shù)為7、9時，相關(guān)器幾乎完全抑制此不相關(guān)信號。三、 結(jié)論通過移相器會產(chǎn)生與原信號同頻率的占空比為1:1的方波信號；PSD輸出信號經(jīng)過低通濾波器后，交流部分會被濾去，只有直流部分會被輸出，且Udc=CUicos。相關(guān)器對奇次諧波的抑制能力有一定限度，并且隨著奇數(shù)的增大抑制能力越來越強。 四、思考題：1. 鎖相放大器各組成部分有什么功能和特點，為什么說PSD是鎖相放大器的核心？鎖相放大器主要由三部分組成：信號通道

14、、參考通道、相敏檢波器（PSD）。信號通道：信號通道主要由前置放大器、低通高通濾波器、調(diào)諧放大器組成。待檢測的微弱信號和噪聲混合在一起輸入低噪聲前置放大器，經(jīng)放大后進(jìn)入前置濾波器，前置濾波器可以是低通、高通、帶通或帶阻濾波器，或者用這些濾波器的兩種或兩種以上的組合構(gòu)成寬帶或窄帶濾波特性，用于防止在嚴(yán)重的噪聲或干擾條件下使PSD出現(xiàn)過載，濾波后的信號經(jīng)過調(diào)諧交流放大器放大到PSD所需電平后輸入PSD。參考通道：參考通道主要由觸發(fā)器、變換電路、移相器組成。參考通道用于產(chǎn)生相干檢測所需的和被測信號同步的參考信號。參考通道首先把和被測信號同頻率的任何一種波形的輸入信號轉(zhuǎn)換為占空比為1:1的方波信號，其

15、頻率和輸入移相器的參考信號的頻率fr相同。現(xiàn)代的鎖相放大器還可以給出頻率為2fr的方波信號，主要用于微分測量中相移電路可以精密地調(diào)節(jié)相位，使PSD中混頻器的兩個輸入信號的相位差嚴(yán)格為零，獲得最大的檢波直流輸出。方波信號通過移相器改變其相位，使得PSD輸入的參考信號與被測信號同相位，鎖相放大器的PSD的直流輸出信號一般要再經(jīng)過濾波和直流放大，最后輸出給測量儀表等。相敏檢波器（PSD）：它實際上是一個乘法器。加在信號輸入端的信號經(jīng)濾波器和調(diào)諧放大器后加到PSD的一個輸入端。在參考輸入端加一個與被測信號頻率相同的正弦（或方波）信號，經(jīng)觸發(fā)整形和移相變成方波信號，加到PSD的另一個輸入端。之所以說PS

16、D是鎖相放大器的核心，是因為它將被檢信號和參考信號相乘，通過直接計算相關(guān)函數(shù)來實現(xiàn)從噪聲中檢測到被淹沒的信號。2. 濾波器時間常數(shù)的選擇對鎖相放大器檢測微弱信號有什么影響？從抑制噪聲的角度看，時間常數(shù)RC越大越好，時間常數(shù)越大，等效噪聲寬度越小，抑制噪聲效果越好，檢測微弱信號的本領(lǐng)越強。但RC越大，放大器反應(yīng)速度也越慢，幅度變化較快的信號的測量將受到限制。所以在鎖相放大器中用減小帶寬來抑制噪聲是以犧牲響應(yīng)速度為代價的。在測量中應(yīng)根據(jù)被測信號情況，選擇適當(dāng)?shù)臅r間常數(shù)，而不能無限度地追求越大越好。3. 在微弱信號檢測中，如果微弱信號是直流性質(zhì)的，如何利用鎖相放大器對其檢測？對于直流信號，鎖相放大器不能直接檢測，因為鎖相放大器的原理就是通過計算被檢信號和參考信號的相關(guān)函數(shù)來實現(xiàn)從噪聲中檢測到被淹沒的信號。直流信號沒有頻率的概念，無法選擇參考信號，也就無法進(jìn)行相關(guān)函數(shù)的計算。需要對直流信號進(jìn)行調(diào)制后才能利用鎖相放大器對其進(jìn)行檢測。參考文獻(xiàn)：1. 張孔時，定慎訓(xùn). 物理實驗教程（近代物理實驗部分）. 清華大學(xué)出版社