鎖相放大器的應(yīng)用

1、鎖相放大器的應(yīng)用一鎖相放大器的工作原理1.相關(guān)檢測(cè)及相關(guān)檢測(cè)器。所謂相關(guān)，是指兩個(gè)函數(shù)不相關(guān)(彼此獨(dú)立)； 如果它們的乘積對(duì)時(shí)間求平均(積分)為零，剛表明這兩個(gè)函數(shù)的關(guān)系又 可分為自相關(guān)和互相關(guān)兩種。由于互相關(guān)檢測(cè)抗干擾能力強(qiáng)，因此在微弱 信號(hào)檢測(cè)中大都采用互相關(guān)檢測(cè)原理。如果f1(t)和f2(t-T )為兩個(gè)功率有限信號(hào)，剛可定義它們的互相關(guān)函數(shù) 為R(T ) =GW - f2(t- T )dt- 一(3.1.1)令 f1(t)=V1(t)+n1(t)，f2(t)=V1(t)+n2(t)，其中 n1(t)和 n2(t)分別代 表與待測(cè)信號(hào)V1(t)及參考信號(hào)V2(t)混在一起的噪聲，則式(3

2、.1.1)可寫成&-UmJ JW*。）十心技門 * VAt - r） += jjni 去j 匕技+ J一 r）dr+ J r） e口）山 + J njG 一（3.1.2）式中Rsr(T )，Rr2(T )，Rr1(T )，R12(t )分別是兩信號(hào)之間，信號(hào)對(duì)噪聲及 噪聲之間的函數(shù)。由于噪聲的頻率和相位都是隨機(jī)量，他們的偶爾出現(xiàn)可用長(zhǎng) 時(shí)間積分使它不影響信號(hào)的輸出。所以，可認(rèn)為信號(hào)和噪聲、噪聲和噪聲之間是 互相獨(dú)立的，他們的互相關(guān)函數(shù)為零。于是式(3.1.2)可寫成AM) = lim i f - Vr(r r)df.(3.1.3)上式表明，對(duì)兩個(gè)混有噪聲的功率有限信號(hào)進(jìn)行相乘和積分處理(即相關(guān)

3、檢測(cè)) 后，可將信號(hào)從噪聲中檢出，噪聲被抑制，不影響輸出。2、鎖相放大器的基本組成。目前鎖相放大器類型很多，但其基本組成只有三大部分，即信號(hào)通道、參考通道及相關(guān)檢測(cè)器(見下圖)。信號(hào)通道AC AC商待測(cè)信號(hào)j上二I.相關(guān)檢彼器參考通道參考信號(hào)*相移鎖相放大器的基本組成相關(guān)檢彼器參考通道參考信號(hào)*相移輸入的交流待測(cè)信號(hào)與噪聲一起進(jìn)入信號(hào)通道，經(jīng)低噪聲前置放大器放大再 通過高低通濾波，使噪聲受到初步抑制，然后送入相敏檢波器PSD，以免PSD出 現(xiàn)過載。參考信號(hào)進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ篮?，一般也要?jīng)過放大、整形、移相等處理后再送入PSD 與待測(cè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，可以通過調(diào)節(jié)參考通道的移相器使參考信號(hào)對(duì)輸入信 號(hào)

4、之相位改變，使參考信號(hào)與輸入信號(hào)同相即9=0時(shí)，相位被鎖定，從而抑制 了不相干的噪聲信號(hào)。有些鎖相放大器的參考通道中設(shè)置有跟蹤電路，以保證在 儀器的工作范圍內(nèi)使參考信號(hào)與輸入信號(hào)保持所需的相移值。二，鎖相放大器在溫度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)中的應(yīng)用在瞬態(tài)溫度測(cè)量中，溫度隨時(shí)間迅速變化，由于測(cè)溫傳感器感溫件的熱慣性 和有限熱傳導(dǎo)，測(cè)出的溫度與實(shí)際溫度存在差別，這種差別即為動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差。為 了盡量減少這類系統(tǒng)誤差，需對(duì)測(cè)溫傳感器進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)裝置由于 存在電源噪聲、輻射噪聲、震動(dòng)噪聲及回饋控制噪聲等的影響，低溫下系統(tǒng)的微 弱信號(hào)將被噪聲淹沒，無法分辨有效的信號(hào)，使系統(tǒng)無法在低溫范圍對(duì)溫度傳感 器校準(zhǔn)

5、。在系統(tǒng)中加入鎖相放大器，利用噪聲與參考信號(hào)不相關(guān),而湮沒于噪聲 當(dāng)中的微弱信號(hào)與參考信號(hào)有著極高的相關(guān)性的特點(diǎn)，從而改善了系統(tǒng)的信噪比, 拓寬了校準(zhǔn)系統(tǒng)的溫度下限。MMAAM射鏡CO.激光器L聚光鏡射頻放大器MMAAM射鏡CO.激光器L聚光鏡射頻放大器-相故大器-數(shù)字示波器J數(shù)字在該系統(tǒng)中。由于紅外探測(cè)器的頻率響應(yīng)特性優(yōu)于溫度傳感器，因此可以紅圖3溫度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)外探測(cè)器所得曲線作為真值來校準(zhǔn)溫度傳感器的頻率響應(yīng)并獲取系統(tǒng)誤差的修 正值，但紅外探測(cè)器易受雜散光、環(huán)境輻射、內(nèi)部噪聲等影響，尤其是低溫時(shí)熱 輻射信號(hào)微弱，信噪比較低，信號(hào)將淹沒在噪聲中，這就限制了校準(zhǔn)系統(tǒng)在低溫時(shí) 的應(yīng)用。應(yīng)用了

6、鎖相放大器的溫度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)，鎖相放大器的參考信號(hào)由激光器的控制脈沖信號(hào)提供，它與紅外探測(cè)器應(yīng)探測(cè) 的熱輻射信號(hào)同頻率。紅外探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)和噪聲經(jīng)鎖相放大器選頻放大后, 噪聲得到抑制，信號(hào)被放大。通過實(shí)驗(yàn)波形，可以發(fā)現(xiàn)紅外探測(cè)器輸出信號(hào)得到了 明顯的改善。校準(zhǔn)系統(tǒng)溫度下限的拓展，系統(tǒng)信噪比的提高，在溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)中， 采用高功率脈沖可調(diào)的CO2激光器為階躍溫度發(fā)生裝置,對(duì)溫度傳感器進(jìn)行加熱 提供一個(gè)溫度激勵(lì)信號(hào)來校準(zhǔn)溫度傳感器。加入SR830雙相鎖相放大器以后，拓 寬了溫度傳感器校準(zhǔn)的溫度范圍，能夠在低全室溫范圍內(nèi)對(duì)溫度傳感器校準(zhǔn)；鎖 相放大器優(yōu)良的選頻放大作用極大地提高了系統(tǒng)的信噪比。三

7、，基于Labview的鎖相放大器的應(yīng)用A）聲音定位系統(tǒng)如下圖所示，測(cè)量?jī)x是由三個(gè)位于等腰直角三角形的聲音接受器組成，測(cè)量 范圍為以O(shè)A為Y軸，OB為X軸的直角坐標(biāo)系的第一象限區(qū)域（三角形的右上方）。 設(shè)S點(diǎn)為聲源，由于聲源到三個(gè)接收器的距離不同，其發(fā)出的聲波到達(dá)三個(gè)接收 器的時(shí)間不同，所測(cè)得的相位差也不同，據(jù)此計(jì)算出聲源的位置。如果使聲源S 發(fā)出的聲音為一已知固定頻率，便可利用鎖相放大器有效克服噪聲，檢測(cè)到三個(gè) 信號(hào)，并較為精確地求出其兩兩之間的相位差。的點(diǎn)和變化引起的電容是勢(shì)壘電容CT。PN結(jié)的電容是隨外加電壓的變化而變化 的，利用這一特性可制作一只變?nèi)荻O管，在二極管上面加大小可調(diào)的反向直

8、流 偏壓V0，同時(shí)加正弦震蕩的交流電壓，并使其與一個(gè)大電容共同分擔(dān)這個(gè)交流電 壓。將分壓輸入鎖相放大器，可測(cè)得這一微小信號(hào)的振幅等信息。改變直流電 壓值，可得0V-V 0曲線。再利用已知電容替換PN結(jié)，保持V不變的情況下可對(duì)曲 線進(jìn)行定標(biāo)，從而得到不同電壓下的勢(shì)壘電容CT。C）光速測(cè)量以CG-II型光速測(cè)量?jī)x為例，利用光拍頻法測(cè)量光速。儀器用一個(gè)超高頻功 率信號(hào)源產(chǎn)生頻率為F的信號(hào)輸入聲光移頻器，在聲光介質(zhì)中產(chǎn)生駐波聲場(chǎng)。激 光通過介質(zhì)光柵發(fā)生衍射，其零級(jí)衍射光中含有拍頻為Af=2F的成分。利用半反 射鏡將這束光分為近程和遠(yuǎn)程兩路，并利用斬波器使每一時(shí)刻只有一路中有光經(jīng) 過。傳播一段距離后讓兩

9、束光光路重合，利用光電二極管收集其光強(qiáng)信號(hào)，可利 用鎖相放大器測(cè)量此信號(hào)。調(diào)節(jié)兩束光的光程差，當(dāng)光程差等于一個(gè)拍頻波長(zhǎng)時(shí)， 兩正弦波的相位差為2n，可由鎖相放大器測(cè)得。而c=A fXA =2FXA，由此可 得到光速。四、鎖相放大器的其他應(yīng)用SR850鎖相放大器在激光散射測(cè)量中的應(yīng)用目標(biāo)激光散射特性的研究對(duì)激光雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義，激光散 射自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可為建立激光雷達(dá)散射截面(LRCS)的縮比模型提供測(cè)試條件,并 驗(yàn)證理論預(yù)估。由于SR850鎖相放大器(LIA )具有高動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、低漂移、低失真、 0.001的相位分辨力等卓越性能，可有效滿足微弱信號(hào)的檢測(cè)需要。通過編程實(shí) 現(xiàn)PC機(jī)與SR850之間控制命令以及數(shù)據(jù)的傳輸，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。對(duì)典型 樣片進(jìn)行了激光雷達(dá)散射截面測(cè)量,并給出了數(shù)據(jù)處理方法和系統(tǒng)性能分析。結(jié) 果表明,SR850鎖相放大器的使用提高了系統(tǒng)測(cè)量的精度及動(dòng)態(tài)范圍。鎖相放大器中的高靈敏度微弱光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)鎖相放大器在微弱光電信號(hào)檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用。在鎖相放大器研制中應(yīng) 用的高靈敏度微弱信號(hào)