锁相放大器实验简介

.::锁相放大器实验简介::.

在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱信号。通常的方法是采用选频放大技术心频率与待测信号频率相同，从非线性器件直接产生的或外部引入的（干扰等）众多出有用分量，滤除其它无用分量。但此方法存在中心频率不稳定、带宽不能太窄及对力等缺点。

锁相放大器（Lock-in amplifier，LIA）自问世以来，在微弱信号检测方面显示出能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高,在科学研究的各个领域得到了用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪的检测和跟踪[10]。因此，学生掌握锁相放大技术的原理与应用具有重要的意义。

锁相放大器的基本结构如图所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器（PS （LPF）等。

信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。

参考通道对参考输入进行放大和衰减，以适应相敏检测器对幅度的要求。参考功能是对参考输入进行移相处理，以使各种不同的相移信号的检测结果达到最佳。

锁相放大器的核心部件是PSD，它以参考信号r(t)为基准，对有用信号x(t)进实现频谱迁移过程。将x(t)的频谱由ω=ω0处，再经LPF滤除噪声，输出直流信号入信号幅度及它们的相位有关。其输出u0(t)对x(t)的幅度和相位都敏感，这样就达相的目的。因为LPF的频带可以做得很窄，所以可使锁相放大器达到较大的SNIR。相敏检测器的输出波形:

不同相位时相敏检测器的波形

当两输入信号的振幅一定时，相敏检波器的输出与输入信号的相位差的余弦成检波后输出最大；而反相时为负最大；相差900或2700时为零。相敏检波器的原理比是输入信号与参考信号的乘积。

出信号

式中：

为被测信号频率；为随机噪声频率。通过PSD后，输出

加低通滤波器，其输出

若大于低通滤波器截止带宽，后一项不通过低通滤波器输出；反之输出。

实际电路中，常采用

的方波作参考信号，设，则参考信号的傅立叶

式中为方波的基波频率。

若信号为：，则

经LPF的滤波作用，n＞１的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩下n=1的差频项最终将输出信号作为积分时间无限长的积分器的输入，完成互相关函数的求解。

.::锁相放大器仿真实验::.

使用说明：

1.首先阅读实验内容和步骤，熟悉实验过程。

2.阅读之后需下载实验程序，在本地机上完成仿真实验。

实验程序下载

虚拟锁相放大器用户界面：

实验内容和步骤：

实验一：相敏检波器输出波形观察及锁相放大器输出电压测量

调节正弦信号发生器，使输出频率(Frequency)在1KHz左右、振幅(Amplitude)在100mV左右Amplification Ratio)为10x，直流放大倍数(DC Amplification Ratio)为1x，低通滤波器的时间Timing Const.)为1S。调节宽带相移器的相移量观察相敏检波器的输出波形，测量结果请填写在

由分析可知，测量结果与理论值相符合。

实验二：相关器谐波响应的测量与观察

将宽带相移器输入信号置n分频，使得相关器的输入信号的频率是参考信号的n倍。

测量结果请填写在图2中。

通过观察判断实际与理论结果——奇次谐波输出的直流响应电压为基波的直流响应电压的1/流响应电压为0——相一致。

实验三：锁相放大器抑制噪声的能力

调节交流放大倍数为10x，直流放大倍数为10x，时间常数为1S；设置正弦信号发生器的频率为参考信号的相移量为0度；设置噪声发生器的输出幅值为0mV，即不叠加噪声。测量此时锁相放大选择噪声发生器的输出波形类型为高斯白噪声(Gauss White Noise)，设置幅值为100mV。此时输

①当时间常数为0.1S时，测量输出电压及计算此时的信噪改善比。

②当时间常数为1S时，测量输出电压及计算此时的信噪改善比。

③当时间常数为10S时，测量输出电压及计算此时的信噪改善比。

由测量结果可知，随着积分常数的增加,输出信噪比不断地提高

实验四锁相放大器抑制噪声的能力

调节交流放大倍数为10x，时间常数为1S；设置信号发生器输出的正弦波频率1V，相位调节为00；设置噪声发生器的输出幅值为0mV，即不叠加噪声。此时锁相流输出电压为6.29V。

选择噪声发生器的输出波形类型为高斯白噪声(Gauss White Noise)，设置幅值为

噪比为：

①当时间常数设置为0.1S时，输出直流电压为6.3V,输出噪声幅度为0.2V,根据

,此时信噪改善比为31。

②当时间常数设置为1S时，输出直流电压为6.36V,输出噪声幅度为0.06V,,此106。

③当时间常数设置为10S时，输出直流电压为6.36V,输出噪声幅度为0.04V,此159。

由上述测量结果讨论可知，随着积分常数的增加,锁相放大器的输出信噪比不断.::锁相放大器使用实验::.

实验用户界面：

实验框图：

锁相放大器使用远程实验系统结构方框图

实验原理：

锁相放大器使用远程实验系统结构如图所示。实验采用实验室自制的信号发生器产生正弦信号和噪声的叠加信号，由音频信号线的左声道采集；一路产生同步触发信衰减电路后，产生1V的同步参考方波，由音频信号线的右声道采集。两路信号经过

过线路输入插孔送入实验机，并经网络反馈给客户机，送入虚拟锁相放大器。由虚拟移相、相乘、积分等功能，最后输出与被测信号有关的直流信号。与传统实验相比，机和一台信号发生器即可进行实验。在此基础上，结合网络技术和仪器控制技术，实

实验内容和步骤：

实验电路用的信号发生器的输出信号类型调为正弦波，考虑到声卡采集信号的0.4V。噪声输出幅度也调为0.4V左右，同步触发信号经衰减后输出幅度为1V左右。

学生在客户机上通过调节虚拟锁相放大器面板中的相位调节、交流放大倍数、积数，从而完成锁相放大器对混有噪声信号的测量实验。通过虚拟面板观察各个工作过件实现了移相、相敏检测、积分等功能，输出与被测信号有关的直流输出电压，得到完成实验。由前面锁相放大器原理的介绍可知，为测得正确的直流输出电压，相位调或1800。

当相位调节为1800，交流放大倍数为10倍时，输出直流电压为-2.6V，由测量结结果与理论值相一致。

进行实验

.::热敏电阻温度特性曲线测量实验::.

实验用户界面：

实验硬件装置图：

实验硬件内部电路图：

温度特性测量原理：

温度变化不是很大时，热敏电阻的阻值随温度的变化不明显，一般的测量方法（不容易精确。本测量方法采用电桥来提取阻值变化引起的电压变化信号，这一电压信环境噪声对它的测量结果影响较大,而采用锁相放大器来测量则可以提高测量的精度示：

测量热敏电阻温度特性曲线电路图

信号发生器作为交流信号源，产生1000Hz标准的正弦波信号，正弦波信号经阻参考信号直接送锁相放大器，另一路接入电桥测量电路的AB两端，R1和R3均为1KΩ

为10Ω左右的电阻，R T为待测的热敏电阻，阻值为几欧姆到十几欧姆。

由于电桥A、B两端的信号电压V A B值为固定，当热敏电阻R T所测的温度改变时，两点的电压的变化，而C、D两点的电压V C D就是锁相放大器被测信号的输入电压。根工作原理，在参考信号不变的情况下，锁相放大器的输出电压V O与V C D有线性关系。压与电流的关系，可以求出电压V C D与电阻R T的关系如下：

V

C D =V

A B

[R

T

/（R

T

+ R

3

）·R

2

·（R

1

+ R

2

）]

由于R3远大于R T，所以上式可以近似写为：V C D=aR T+b

因此V0正比于aR T+b（a，b为常数）。

这样，通过测得锁相放大器的输出电压V0随温度变化的特性，就可以求出热敏电度变化的特性。

实验方框图：

实验线路连接图

实验线路连接图如图所示。整个系统由真实信号发生器提供信号源。信号发生器一路其输出直接连接至音频输入电缆的右声道；另一路输出的正弦信号即作为桥式电路的两端之间的电压差输出连接至音频输入电缆的左声道。通过声卡模数转换后输入到计相放大器。

计算机通过串口向单片机发送指令，控制加热电路给热敏电阻加热。热敏电阻温度传感器DS18B20测量，该温度值读入到单片机中，通过串口发送到计算机。

实验内容和步骤：

学生实验过程如下：

（1）运行客户端程序，点击加热按钮，接通加热电源，继电器闭和，水泥电阻热。此时，在虚拟面板上可以观察到温度计的显示开始慢慢上升，桥式电

开始慢慢加大。

（2）调节虚拟锁相放大器面板上的相位调节、交流放大等参数，得到适合的输板上观察。为测得正确的直流输出电压，相位调节必须设置为00或1800。

的读数即是测量得到的被测信号对应的直流电压输出。

（3）虚拟面板上的温度计显示的是当前热敏电阻的温度值，大约每隔50C记录一同时，记录下相应的直流电压的输出值。

（4）当温度值显示到80℃左右时,再次点击加热按钮,关闭加热电源，继电器闭止加热。此时，在虚拟面板上可以观察到温度值和输出电压值开始下降。

示：

温度电压测量结果表

（5）根据测量结果，绘制热敏电阻电压-温度曲线图，如图4-9所示。从曲线可线呈指数关系，由前面分析可知，也即热敏电阻阻值-温度呈指数关系。利的结果符合实际实验结果。

热敏电阻电压-温度曲线图

进行实验

.::使用说明::.

1、如果是第一次做远程控制锁相控制实验，请首先击本网页左侧的导航栏的“插件下载”，下载

2、剩余时间：每次实验限定时间为30分钟，30分钟后，连接自动断开,此数字窗口显示剩余时间时间内完成实验。

.::常见问题FAQ::.

1、请问我为什么不能运行下载的客户端程序？

请首先下载插件（在左侧导航栏下方）。

2、我在操作的时候发现按下按钮一段时间后相应的参数才发生变化，为什么？

这种情况是由于网络数据传输延时引起的，请选择网速较快网络（最好在教育网或校园网络内3、为什么我总调不出所需要的波形信号？

请详细阅读使用说明和实验内容和步骤。

https://www.360docs.net/doc/3f1407246.html,/dislab/res/