鎖定放大器課件

1、第四章 光電信號處理4.1光輻射探測過程的噪聲4.2光電探測器的偏置電路4.3光電探測器的放大電路4.4微弱信號檢測4.5鎖定放大器4.6取樣積分器4.7光子計數(shù)器第1頁，共39頁。4.5鎖定放大器4.5.1鎖定放大器原理4.5.2相關(guān)器4.5.3同步積分器4.5.4旋轉(zhuǎn)電容濾波器4.5.5雙相鎖定放大器第2頁，共39頁。4.5.1鎖定放大器原理一、窄帶濾波原理理想的窄帶濾波器：濾波器的帶寬可以無限窄，趨近于零，即濾波器的帶寬可以做到點頻，那么這個濾波器就可以極大地改善信噪比。 第3頁，共39頁。實際的窄帶濾波器： 帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q： 中心頻率f0和帶寬f之比（或0 ）， Q的定義為：

2、0 為中心頻率，為帶寬。品質(zhì)因數(shù)是衡量帶通濾波器性能的指標。一般的窄帶濾波器其Q值達到104已很不容易，中心頻率的穩(wěn)定度要求達到10-6以上也難做到。第4頁，共39頁。鎖定放大器：Q值為108以上，而頻率穩(wěn)定度可以達10-8以，鎖定放大器不僅可以濾除帶外的噪聲和干擾，而且對帶內(nèi)的噪聲也有一定的濾除作用。因為鎖定放大器利用了信號的相位特征，對于同頻且同相的可以順利通過，對于同頻而不同相的，則有一定的衰減作用，對于同頻的噪聲，也是如此。 第5頁，共39頁。注意：鎖定放大器最終的輸出是直流量。這就是說，鎖定放大器雖然能把深埋于噪聲之中的微弱的交流信號檢測出來，但是它不能將微弱信號不失真地放大，它不是

3、一個普通意義（電子技術(shù)中）所講的放大器，實際上它是一個微弱信號檢測計。習(xí)慣上，稱鎖定放大器。性能優(yōu)異的鎖定放大器能把幅值小到0.1nV且信噪比小于1/103的周期信號檢測出來，并放大到10V。鎖定放大器實際上是完成了窄帶放大并檢波的功能。 第6頁，共39頁。二、典型鎖定放大器的原理典型的鎖定放大器的原理框圖如圖 典型的鎖定放大器主要由三大部分組成：信號通道、參考通道、相關(guān)器 第7頁，共39頁。1.信號通道從探測器輸出的信號或源發(fā)出的信號經(jīng)過被測物體后十分微弱，其信噪比甚至低于1/103。信號被噪聲和干擾所淹沒首先經(jīng)過低噪聲前置放大器進行放大；然后再通過各類濾波器和陷波器將信號進行初步的預(yù)處理，

4、將帶外噪聲和干擾盡量排除；然后再作進一步的放大，以便送到相關(guān)器進行檢測；若被檢測信號的頻率不穩(wěn)定，頻率改變或漂移了，參考信號的頻率也必須跟著改變，總是保持著兩種信號的頻率相等。 第8頁，共39頁。2.參考通道參考通道的信號是和被檢測信號頻率相同的周期信號。參考信號必須和被檢測信號頻率相同，這是進行鎖定放大的一個必要條件，因此又稱為頻域相干檢測。參考信號送入?yún)⒖纪ǖ篮笫紫冗M入觸發(fā)電路，產(chǎn)生和被檢信號同頻的方波。再經(jīng)過移相電路進行移相，然后經(jīng)過驅(qū)動電路功率放大后，再送達相關(guān)器去控制相關(guān)器的乘法器。 第9頁，共39頁。相關(guān)器是鎖定放大器的核心部件，鎖定放大器之所以有很強的抑噪能力，主要是靠相關(guān)器的消

5、除噪聲和干擾。相關(guān)器主要是由一個乘法器和一個積分器組成。4.5.2相關(guān)器第10頁，共39頁。1.相關(guān)器及其性能分析 （1）開關(guān)型乘法器原理性電路相敏檢波器（Phase Sensitive Detector）簡稱PSD，是相干檢測的心臟。PSD實際上是一個乘法器，是相關(guān)器的重要組成部分。經(jīng)常使用的是開關(guān)乘法器。第11頁，共39頁。典型的相敏檢波電路及波形如圖：相敏檢波器電路 輸入輸出波形V01為未接C1、C2; V02為接C1、C2的輸出第12頁，共39頁。電路分析： 信號Vs和參考信號VR同頻同相 正半周時，VR使G3、G2導(dǎo)通，（G1、G4截止）信號Vs通過G3、R3加到運放同相輸入端，輸出

6、為正； 負半周時，VR使G1、G4導(dǎo)通，而G2、G3截止，信號通過G1、R1加到運放的反相輸入端，輸出仍然是正。 若不接電容C1、C2，則輸出信號波形不平滑，此時為脈沖輸出； 接上電容C1、C2，則輸出信號經(jīng)積分后波形平滑，且輸出為與輸入幅度成正比的直流信號。 第13頁，共39頁。（2）特性分析為了分析PSD的特性，用簡圖表示如下： 設(shè)VR是如圖所示的周期矩形方波： 第14頁，共39頁。根據(jù)傅里葉級數(shù)展開式，有： 此式經(jīng)過積分后輸出。 PSD的輸出V0 第15頁，共39頁。由上式可以看出：輸出信號中含有信號頻率1與方波基頻2的所有奇次諧波（2n+1）2（n=1，2，）產(chǎn)生的和頻、差頻所組成的大

7、量諧波分量。也就是說，只有在這些諧波分量頻率上的噪聲才有可能通過，而其它頻率的分量則受到了抑制。頻率和方波相同的信號就成為直流輸出。第16頁，共39頁。解釋：由于開關(guān)以一定的頻率開和關(guān)，只有和開關(guān)動作的頻率相同且相位相同的信號才能通過，或者與開動作頻率成奇數(shù)倍的信號能通過少量的信號。但只剩下奇數(shù)倍分之一，偶數(shù)倍的完全相互抵消了。第17頁，共39頁。2.相關(guān)器的數(shù)學(xué)解 第18頁，共39頁。那么乘法器的輸出即積分器的輸入電壓V1。若輸出電壓為V0，則V1、 V0滿足微分方程： 第19頁，共39頁。3.數(shù)學(xué)解的簡化與物理結(jié)論 （1）輸入信號與參考信號頻率的基波相等時：為積分器的時間常數(shù)。V0與輸入信

8、號與參考信號相位差的余弦成正比，R0/R1是近似積分器（或低通濾波器）的直流放大倍數(shù)（或直流增益）。第20頁，共39頁。（2）當(dāng)輸入信號為參考信號的偶次諧波時即相關(guān)器能抑制偶次諧波。第21頁，共39頁。（3）當(dāng)輸入信號為參考信號的奇次諧波時 當(dāng)n=0時，即為基波的輸出，基波的振幅為： 第22頁，共39頁。2n+1次諧波的振幅為： 相關(guān)器奇次諧波輸出的頻率響應(yīng)第23頁，共39頁。（4）若輸入信號頻率偏離奇次諧波一個微小量代表奇次諧波與參考信號的相位差。 此時，輸出信號是一個頻率為的交流信號，幅度含有衰減因子。由上式可畫出相關(guān)器輸出函數(shù)的幅頻特性圖。 第24頁，共39頁。相關(guān)器輸出函數(shù)的幅頻特性圖

9、： 第25頁，共39頁。（5）相關(guān)器的噪聲等效帶寬考慮到相關(guān)器在基波和各奇次諧波處的帶通特性，可得R0C0越大，噪聲等效帶寬越小，抑噪能力越強，獲得的信噪比改善越大。第26頁，共39頁。4.輸入信號為與參考信號同頻的方波 以上討論的是輸入信號為正弦波的情況，實際測量中，常常把慢變化或直流信號斬波，使之成為方波信號后再進行測量，這時： 為輸入信號相對于參考信號的延遲時間?？砂赐瑯拥姆椒ㄟ\算，求解化簡得到： 為兩方波的相位差。第27頁，共39頁。由此可見相敏檢波器的意義，如圖： 相關(guān)器的輸出與相位差的關(guān)系（1）輸入信號為對稱方波時，相關(guān)器輸出直流電壓為信號幅度（VmA）乘以積分器的直流放大倍數(shù)（R

10、0/R1），且與兩方波的相位差成線性關(guān)系。 第28頁，共39頁。（2）當(dāng)輸入信號VmA恒定時，相關(guān)器成為相敏檢波器，即輸出幅度和相位成線性關(guān)系。第29頁，共39頁。4.5.3同步積分器利用RC積分器實現(xiàn)同步累加原理，稱為同步積分器。同步累加原理圖第30頁，共39頁。同步積分器的輸出端可得到與參考信號同頻率的交流方波，這個方波的幅度與輸入信號的幅度有關(guān)。同步積分器輸出的交流方波的幅度與相關(guān)器有著完全類似的特性，也可以看作是與參考信號同頻率的方波的匹配濾波器，也具有梳狀濾波器的性能，因此有很強的抑噪能力。第31頁，共39頁。4.5.4旋轉(zhuǎn)電容濾波器在同步積分器中，使用了兩個積分電容。為了使電路更簡

11、化可以只用一個積分電容器，但積分電容器的接法要使電容器的兩端在輸入信號納正負半周變化時能夠同步地翻轉(zhuǎn)，好似電容器在旋轉(zhuǎn)一樣，所以稱為“旋轉(zhuǎn)電容濾波器”。第32頁，共39頁。4.5.5雙相鎖定放大器雙相鎖定放大器是一種具有多功能的微弱信號檢測儀，它能同時給出被測信號的幅度和相位信息，并且也能給出被測量在直角坐標系中的兩個正交分量，所以又稱為正交鎖定放大器。它具有矢量電壓表、鎖定放大器、頻譜分析儀、動態(tài)特性測試儀和噪聲測試儀的多種用途。第33頁，共39頁。一、雙相鎖定放大器原理原理圖第34頁，共39頁。參考通道部分有一個頻率為f1的方波發(fā)生器，輸出互成正交(相位差2)的兩路方波，分別對信號通道分成兩路后的同相通道和正交通道的信號進行調(diào)相。這里的調(diào)相實際上是頻率為fs的輸入待測周期信號和頻率為f1(f1fs)的對稱方波相乘，得0或180的調(diào)相。輸入信號互成正交(相位差2)的兩路方波第35頁，共39頁。參考通道還輸出互相正交的兩路與被測信號同步的方波。分別與同相通道和正交通道中經(jīng)調(diào)相后的信號相乘。第36頁，共39頁。乘法器的輸出由用頻率為f1的方波作參考信號的同步積分器進行抑噪。同步積分器只對頻率為1以及它的奇次諧波有響應(yīng)，而對其它頻率的響應(yīng)很小，可以忽略。第37頁，共39頁。兩同步積分器的輸出