锁相放大器
锁相放大器技术详解
https://www.360docs.net/doc/cf7673289.html,/st1272/article_22104.html 锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。 在外差式振荡技术中被称为本地振荡（Local Oscillation）的、用于做乘法运算的信号，在锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。锁相放大器能够（从被测量信号中）检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器（LPF）。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。在频率域中，如下图所示。 锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF）的截止频率来确定的。例如，在测量10kHz的信号时，如果使用1mHz的低通滤波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器时的噪声抑制能力。如果换算成为Q值，就相当于5×106。要想真正制造这样高的Q值的带通滤波器，那是不可能的。但是，使用锁相放大器，这就很容易实现了。 如同前面所解说的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器（BPF）时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。 与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实现。由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。 那么，实际的锁相放大器又是什么样的呢？ ■使用PSD（相敏检波器）作为乘法器。
锁相放大器的原理实验报告
锁相放大器的原理实验报告 摘要：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。 关键词：锁相放大器；微弱信号放大；PSD输出波形；谐波响应 一、引言 随着科学技术的发展，科学研究领域向宏观和微观不断深入，常常需要检测极微弱的信号，如物理学中的表面物理特性，光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱，生物学中的细胞发光特性、生物电的测量等。在这些测量过程中，待测的微弱信号常常淹没在强大的背景噪声之中，使用常规的检测手段就无法达到目的。而且随着科学的发展，对实验数据的可靠性、准确性、精确性的要求也越来越高，因此，微弱信号的检测就越来越重要，自60年代初开始，关于信号检测与处理的技术开始产生并迅速发展，现已逐渐形成一专门的边缘科学，在物理、化学、生物、天文、地质、医学、材料等学科领域得到广泛应用。 锁相放大器（Lock-In Amplifier，简写为LIA）就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号,能测量到输入信噪比低至10-5的微弱正弦量。自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。目前全世界已有多个厂家生产该仪器 本实验使用由南京微弱信号检测中心研制的微弱信号综合实验仪来介绍锁相放大器的基本工作原理与使用方法，通过本实验可以了解锁相放大器的基本特点和应用方向。 二、实验 (一)实验原理 锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度。
锁相放大器原理
如何测量被噪声埋没了的信号？ 在测量各种物理量（温度、加速度等）时，用传感器将其变换成为电信号，然后输入到分析仪器（测量仪器）中去。但是，仅想获得必要的信号是很难做到的。通常是连不必要的信号（也就是噪声）也一起被测量了。在各种情况下，噪声都有可能混进来。 噪声并不仅限于电信号，也有包含在被测量的物理量中的情况。另外，根据不同场合，也出现噪声强度远远高出所需要的目的信号电平的情况。想要测量的信号越微弱，那么噪声就相对地越大。 在这里，让我们来看一下用交流电压表来测量不同电平的1kHz 的正弦波信号的结果。 在信号上叠加了0.1Vmrs 的白噪声。“毫伏计”是一般的交流电压表，“锁相放大器”是一种专门测量微小信号的（特殊的）交流电压表。 信号电平 （正弦波信号） 波 形 （叠加了噪声的波形） 毫伏计的 测量结果 锁相放大器的 测量结果 1Vrms 1Vrms 0.999Vrms 100mVrms 140mVrms 99mVrms
1mVrms 105mVrms 1.01mVrms 0.1mVrms 105mVrms 0.107mVrms 毫伏计也同时测量噪声。即使用数字万用表（DMM ）来测量，也会得到与毫伏计相同的测量结果。 但锁相放大器，能在比目的信号（1kHz 正弦波）强1000倍的噪声中把目的信号几乎准确无误地检测出来。 在测量埋没在噪声中的信号时，使用锁相放大器最为合适。 为什么锁相放大器具有那么强的抗噪声能力？ 锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因为很好地利用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间在性质上的差别。 在这里，我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质，一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力。 噪声的性质 ■平坦的频谱 在宽阔的频率范围内，该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。
锁相放大器实验报告
锁相放大器实验报告 摘要：本实验利用锁相放大器对信号中的噪声进行抑制并对其进行检测，了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成；掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。通过实验学会锁相放大器的使用，掌握利用锁相放大器来观察信号输入信号通道前后的幅值以及波形情况，获得相位与电压、放大倍数与电压的关系，并且通过噪声的观察知道如何消除噪声。 关键词：锁相放大器，微弱信号放大，PSD 输出波形，谐波响应 引言：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的。方法，将微弱信号从噪声中提取出来。自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。 一、实验原理： 1、 噪声 在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。这类信号检测的最终极限将取决于测量设备的噪声，这里所说的噪声是指干扰被测信号的随机涨落的电压或电流。噪声的来源非常广泛复杂，有的来自测量时的周围环境，如50Hz 市电的干扰，空间的各种电磁波，有的存在于测量仪器内部。在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1／f 噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动的涨落现象引起的。从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。 2、相干检测及相敏检波器 微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。设信号f 1(t )为被检信号V s (t )和噪声V n (t )的叠加，f 2(t )为与被检信号同步的参考信号V r (t )，二者的相关函数为： 由于噪声V n (τ)和参考信号V r (τ)不相关，故R nr (τ)=0，所以R 12(τ)=R sr (τ)。锁相放大器通过直接实现计算相关函数来实现从噪声中检测到被淹没信号。 锁相放大器的核心部分是相敏检波器(phase —sensitive detector,简称PSD)，也有称它为混频器(mixer)的，它实际上是一个乘法器。加在信号输入端的信号经滤波器和调谐放大器后加到PSD 的一个输入端。在参考输入端加一个与被测信号频率相同的正弦（或方波）信号，经触发整形和移相变成方波信号，加到PSD 的另一个输入端。 若加在PSD 上的被测信号为u i ，加在PSD 上的方波参考信号u r 幅度为1，若用傅里叶级数展开，则方波的表达式为 ()[]∑∞=++=0r r 12sin 1 21π4n t n n u ω, （n =0，1，2）。 (1) 于是PSD 的输出信号为 从式(2)可以看出，输出信号oPSD u 包含有下列各种频率分量：
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。
锁相放大器综述
题目： 锁相放大器的原理及应用 姓名： 单位： 学号： 联系方式：
摘要 锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。本文主要介绍了锁相放大器原理，发展过程，基本组成，重要参数和在各方面的应用。 关键词：锁相放大器，噪声，傅立叶变换
一、锁相放大器的定义 锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。 二、锁相放大器的历史 上世纪六十年代美国公司研制出第一台利用模拟电路实现微弱正弦信号测量的锁相放大器，使微弱信号检测技术突破性飞越，为解决大量电子测量做出贡献，在物质表面组份分析以及表面电子能态研宄方面有重大意义。自上世纪后期开始，国内外越来越多的人开始研宄锁相放大器，随着科技的发展，越来越多性能优良的锁相放大器被研发出来，在各个领域应用广泛，极大程度上推动了各个学科的发展，目前，从提高系统的灵敏度、减小噪声带宽、提高检测精度、改善信噪比上都有了很大的进步。近年来，数字电子技术飞速发展，锁相放大器也在这一契机下，出现了模数混合的锁相放大器与数字锁相放大器，这在一定程度上弥补了由于物理器件造成的模拟锁相放大器的缺点，极大改善了性能，提升了研究层次与扩大了应用范围。国外相较于国内而言，起步要早一些，己研发出一系列锁相放大器。美国公司、美国公司是行业的龙头企业，它们所研制的模拟型：、和数字型：、、、均已有较成熟的发展与应用。其中公司是世界范围内数字锁相放大器研制的佼佼者，该公司的产品在到的频率带宽内可测，具有自动获取、自动补偿功能，具有谐波抑制功能、度的相位分辨率和大于的动态保留，时间常数位从到可调，它的数字信号处理设计使它具有很大的动态存储，这就减少了使用带通滤波器时带进的噪声以及系统的不稳定性。就国内而言，南京大学唐鸿宾等对锁相放大器的研宄起步较早，研发出了系列锁相放大器，该校微弱信号检测中心顺势
简易锁相放大器
2012年15省赛区大学生电子设计TI 杯竞赛试题 参赛注意事项 （1）2012年8月5日8:00竞赛正式开始。本科组参赛队只能在A 、B 、C 、D 、E 题目中任选一 题；高职高专组参赛队原则上在F 、G 、H 题中任选一题，也可以选择其他题目。 （2）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的 有效证件（如学生证）随时备查。 （3）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。 （4）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制作， 不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。 （5）2012年8月7日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。 微弱信号检测装置（A 题） 【本科组】 一、任务 设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。为便于测评比较，统一规定显示峰值。整个系统的示意图如图1所示。正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav 文件）来产生，通过PC 机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。图中A 、B 、C 、D 和E 分别为五个测试端点。 图1 微弱信号检测装置示意图 二、要求 1. 基本要求 （1）噪声源输出V N 的均方根电压值固定为1V ±0.1V ；加法器的输出V C =V S +V N ，带宽大于1MHz ；纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。 （2）微弱信号检测电路的输入阻抗R i ≥1 M Ω。 （3）当输入正弦波信号V S 的频率为1 kHz 、幅度峰峰值在200mV ~ 2V 范围内时，检测并显示正弦波信号的幅度值，要求误差不超过5%。 2. 发挥部分
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。 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，则仪器总增益为10V/10nV =109若直流放大器增益为10倍，前置放增益为103，则交流放大器的增益达105。 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：
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f c1 决定和f c2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(f i+2f0)及差频f i,再经具有中心频率为f i带通滤波后,输出变为中频信号f i ， (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f i 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。 图 3 同步外差技术原理框图 （3）同步积分技术
锁相放大器(Lock-in-Amplifier)的原理与应用
lock-in D y T nV?C a A i H μq C Lock-in-Amplifier D n u I ”ˉe ”?A q S v P A L o i q o C Lock-in-Amplifier ]PSD(phase sensitive detector)?A q S v B A L o L q H C Lock-in q n v A A O i A v f 1G )2sin(1111φπ+=f E e P )2sin(2222φπ+=f E e q L V (mixer)2V o μG G )2sin()2sin(221121213φπφπ++=×=f f E E e e e )]()(2cos[2 )]()(2cos[2212121212121φφπφφπ+++??+?= f f E E f f E E (difference frequency component) (sum frequency component) PSD AC A p q L C q o i A AC o C p G f 1μ￥f 2?éA difference frequency component DC A o p U PSD )cos(2 212 13φφ?= E E e )1)(cos(21≈?φφ
Lock-in lock-in i1V q A q I+P I- S C H q eμn u C B p U G 1.q e A i q q q A A P q q y p A o B n A P A q y a C 2.q(q u p)A i q(1M[B 10M[B100M[B1G[)M q y K q10K[(]q 10K[) 3. lock-in (1) ￥lock-in sensitivity A A lock-inμu(p G) μu C (2) °10-7A A i q10M[A q A A lock-in sensitivity A(1mV)A qμ 10V(q O lock-in q10μG)C (3) ?(OSC LvL)]1V A v(OSC F)P60 (p G23)A K P A(REF PH)Aμ(90o)μ0-V Bμê(270 o)μ0+V A(0 o B180 o)10V C p U G Lock-in A lock-inμq C 1.lock-in sensitivity A o i BP A time constant]1s A A lock-in I qμu(p)μu C 2. °10-7A A i q10M[A q A A lock-in sensitivity A(1mV)A qμ10V C
锁相放大器实验报告BY陈群
锁相放大器实验报告BY陈群 浙江师范大学实验报告实验名称锁相放大实验班级物理071 姓名陈群学号 07180116 同组人刘懿钧实验日期 09/12/1 室温气温锁相放大实验 摘要: 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 出优秀的性能，它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广泛的应用。它利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，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。 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。关键词: 锁相放大器微弱信号 PSD信号 引言: 在进展一日千里的现代科技领域中，精密量测技术的发展对于近代工业有关键 性的影响。当我们研究的系统日趋庞大，交互作用复杂，但所欲了解的现象却越来越精细时，如何在一大堆讯号中获得我们真正想要的信息便成为一个重要的课题。一般的线性放大器可以将微弱的电子讯号放大，但若我们所要的信号中伴随着噪声信号，则两者都会一起放大，亦即此伴随的噪声无法滤除。尤其当噪声强度远大于所要的信号时，即必须藉助特殊的放大器以同时放大讯号并滤去噪声。锁相放大器是一种能测量极微弱的连续周期性信号的仪器。这些微弱信号可以小至数奈伏特(nV)，甚至隐藏在大它数千倍的噪声当中，亦能精确的测得。连续周期性信号与噪声不同之处，在于前者具有固定的频率及相位，
后者则杂乱无章。锁相放大器便是利用所谓”相位灵敏侦测(phase-sensitive detection，PSD)” 的技术以取得具有特定频率与相位的信号，而不同于此频率 的噪声则被抑制下来，使输出讯号不受噪声影响。 实验方案: 实验原理 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(PSD)和低通滤波器(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测器工作的平台，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。参考通道的另一个重要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)进行相敏检测，从而实现频谱迁移过程。将x(t)的频谱由ω=ω0处，再经LPF滤除噪声，输出直流信号，其幅度与两路输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，这样就达到了既鉴幅又鉴相的目的。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。下图为不同相位时 相敏检测器的输出波形
精品 锁相放大器实验报告
锁相放大器实验报告【摘要】?随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱 信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。【关键词】锁相放大器；微弱信号放大；PSD输出波形；谐波响应一实验原理 1.1 噪声 在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。这类信号检测的最终极限将取决于测量设备的噪声，这里所说的噪声是指干扰被测信号的随机涨落的电压或电流。噪声的来源非常广泛复杂，有的来自测量时的周围环境，如50Hz市电的干扰，空间的各种电磁波，有的存在于测量仪器内部。在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1／f噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动的涨落现象引起的。从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。 1.2 相干检测及相敏检波器 微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。设信号f1(t)为被检信号V s(t)和噪声V n(t)的叠加，f2(t)为与被检信号同步的参考信号V r(t)，二者的相关函数为： 由于噪声V n(?)和参考信号V r(?)不相关，故R nr(?)=0，所以 R12(?)=R sr(?)。锁相放大器通过直接实现计算相关函数来实现从噪声中检测到被淹没信号。 锁相放大器的核心部分是相敏检波器(phase—sensitive detector,简称PSD)，也有称它为混频器(mixer)的，它实际上是一个乘法器。加在信号输入端的信号经滤波器和调谐放大器后加到PSD 的一个输入端。在参考输入端加一个与被测信号频率相同的正弦（或方波）信号，经触发整形和移相变成方波信号，加到PSD的另一个输入端。
锁相放大器的工作原理
锁相放大器的工作原理 一．什么是锁相放大器 锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。 锁相放大器实物图 二．锁相放大器的构成 锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。在外差式振荡技术中被称为本地振荡（Local Oscillation）的、用于做乘法运算的信号，锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。锁相放大器能够（从被测量信号中）检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器（LPF）。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。在频率域中，如下图所示。 锁相放大器的基本组成 三．锁相放大器的应用
锁相放大器可用于检测到在杂噪信号中被埋没的微弱的信号。采用选频放大技术，使放大器的中心频率f 0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。后来发展了锁相放大技术。它利用等测信号和参与信号的相互关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。目前，锁相放大技术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。 应用一:用于测量现场尘粒浓度。尘粒浓度测量仪采用光电收发对称式探测头，能够对温度、振动、器件老化等因素进行抑制。光信号在烟道中的衰减与烟道中尘粒浓度关系遵从朗伯-比尔定律。当烟道内尘粒浓度增大到一定程度，使得光信号大幅衰减，环境杂散光等成为不可忽视的噪声信号。 应用二：用于红外线温度传感器的低温范围拓展。 红外探测器易受杂散光，环境辐射，内部噪声等影响，尤其是低温时热辐射信号微弱，信噪比较低，信号将淹没在噪声中，这就限制了红外温度传感器的应用。锁相放大器可以将微弱的热辐射信号噪声中检测出来，从而拓展了红外线温度传感器在低温范围的应用。 应用三：相敏检波器组成的锁相环在电力系统同步谐波检测中的应用。红外探测器易受杂散光，环境辐射，内部噪声等影响，尤其是低温时热辐射信号微弱，信噪比较低，信号将淹没在噪声中，这就限制了红外温度传感器的应用 四．锁相放大器的工作原理 锁相放大器是以相干检测技术为基础，利用参考信号频率与输入输入信号频率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声中提取出有用信号，使得测量精度大大提高。所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）；如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。
近代物理实验报告—锁相放大器
锁相放大器 物理112班 朱佳亮 11180249 【摘要】 锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。 【关键词】锁相放大器；微弱信号放大；PSD 输出波形；谐波响应 一引言 随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。 二、实验原理 1、噪声 在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。这类信号检测的最终极限将取决于测量设备的噪声，这里所说的噪声是指干扰被测信号的随机涨落的电压或电流。噪声的来源非常广泛复杂，有的来自测量时的周围环境，如50Hz 市电的干扰，空间的各种电磁波，有的存在于测量仪器内部。在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1／f 噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动的涨落现象引起的。从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。 2、相干检测及相敏检波器 微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。设信号f 1(t )为被检信号V s (t )和噪声V n (t )的叠加，f 2(t )为与被检信号同步的参考信号V r (t )，二者的相关函数为： ()()()()[]()()() d )(21lim d 21lim nr sr r n s 2112 τττττR R t t V t V t V T t t f t f T R T T T T T T +=-?+=-?=??-∞→-∞→ 由于噪声V n (τ)和参考信号V r (τ)不相关，故R nr (τ)=0，所以R 12(τ)=R sr (τ)。锁相放大器 通过直接实现计算相关函数来实现从噪声中检测到被淹没信号。 锁相放大器的核心部分是相敏检波器(phase —sensitive detector,简称PSD)，也有称它为混频器(mixer)的，它实际上是一个乘法器。加在信号输入端的信号经滤波器和调
锁相放大器
2014年上海市大学生电子设计竞赛（TI 杯）题目 C 题：带啸叫检测与抑制的音频功率放大器 1．任务 基于TI 的功率放大器芯片TPA3112D1，设计并制作一个带啸叫检测与抑制功能的音频放大器，完成对台式麦克风音频信号进行放大，通过功率放大电路送喇叭输出。电路示意图如图1所示。 图1 电路示意图 2．要求 （1）设计并制作图1中所示的“拾音电路”和“功率放大电路”，构成一个基本的音频功率放大器。要求： （25分） a ）在输入音频信号有效值为20mV 时，功率放大器的最大不失真功率（仅考虑限幅失真）为5W ，误差小于10％； b ）在输入音频信号有效值为20mV 时，可以程控设置功率放大器的输出功率，功率范围为50mW ～5W ； c ）功率放大器的频率响应范围为200Hz ~ 10kHz 。 （2）系统采用12V 直流单电源供电，所需其他电源应自行制作。 （10分） （3）在功率放大器输出功率为5W 时，电路整体效率≥65%。 （10分） R L 8
（4）将台式麦克风与喇叭相隔1m背靠背放置，见图2（a），使用电脑播放音乐作为音频信号源。音频功率放大器能通过麦克风采集信号，经功率放大电路送喇叭输出，输出的音频信号清晰。（5分）（5）设计并制作图1所示的啸叫检测电路和啸叫抑制电路，完善音频功率放大器。要求：（15分）a）在不进行啸叫抑制时（图1的选择开关K1连接A端，K2连接C端），将麦克风与喇叭相隔1m面对面放置，见图2（b），从小到大调整功 率放大器的输出功率，直到产生啸叫时停止； b）啸叫检测电路能实时监测所产生啸叫，并计算啸叫的频率。实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率； c）启动啸叫抑制电路（图1的选择开关K1连接B端，K2连接D端），音频功率放大器应能有效抑制啸叫，并正常播放音频信号。 （6）进一步改进啸叫抑制电路。在保障无啸叫的前提下，尽量提高音频功率放大器的输出功率；如果输出功率达到5W功率，啸叫抑制电路仍能正常工作，可以进一步缩短面对面放置的麦克风与喇叭之间的距离。（30分）（7）其他。（5分）（8）设计报告（20分） 3．说明 （1）作品使用的麦克风应为台式全向麦克风，其灵敏度要大于
锁相放大器的工作原理
检测微弱信号的核心问题是对噪声的处理，最简单、最常用的办法是采用选频放大技术，使放大器的中心频率f 0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。后来发展了锁相放大技术。它利用等测信号和参与信号的相互关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。目前，锁相放大技术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。因此，培养学生掌握这种技术的原理和应用，具有重要的现实意义。 1.锁相放大器的工作原理 1.相关检测及相关检测器。所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）； 如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。 如果f1(t)和f2(t-τ)为两个功率有限信号，刚可定义它们的互相关函数为 (3.1.1) 令f1(t)=V1(t)+n1(t)，f2(t)=V1(t)+n2(t)，其中n1(t)和n2(t)分别代表与待测信号V1(t)及参考信号V2(t)混在一起的噪声，则式（3.1.1）可写成 （3.1.2） 式中Rsr(τ)，Rr2(τ)，Rr1(τ)，R12(τ)分别是两信号之间，信号对噪声及噪声之间的函数。由于噪声的频率和相位都是随机量，他们的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。所以，可认为信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的，他们的互相关函数为零。于是式（3.1.2）可写成 （3.1.3） 上式表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。根据此原理设计的相关检测器见图（3.1.1）所示。它是锁相放大器的心脏。
锁相放大器
LIA锁相放大器 王莲20140916 光学工程 锁相放大器的工作原理 相关检测及相关检测器。所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）；如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。如果f1(t)和f2(t-τ)为两个功率有限信号，刚可定义它们的互相关函数为 (3.1.1) 令f1(t)=V1(t)+n1(t)，f2(t)=V1(t)+n2(t)，其中n1(t)和n2(t)分别代表与待测信号V1(t)及参考信号V2(t)混在一起的噪声，则式（3.1.1）可写成 （3.1.2） 式中Rsr(τ)，Rr2(τ)，Rr1(τ)，R12(τ)分别是两信号之间，信号对噪声及噪声之间的函数。由于噪声的频率和相位都是随机量，他们的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。所以，可认为信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的，他们的互相关函数为零。 于是式（3.1.2）可写成 （3.1.3） 上式表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。根据此原理设计的相关检测器见图（3.1.1）所 示。它是锁相放大器的心脏。 图3.1.1相关检测器 通常相关检测器由乘法器和积分器构成。乘法器有两种：一种是模拟式乘法器：另一种是开头式乘法器，常采用方波作参考信号，而积分通常由RC低通滤波器构成。
现在令式（3.1.3）中两个信号均为正弦波： 等测信号为 Vs(t)=escosωt; 参考信号为 Vr(t-τ)=ercos[(ω+Δω)t+φ]. 在式中r为两个信号的延迟时间。它们进入乘法器后变换输出为V(t)， 即由原来以ω为中心频率的频谱变换成以Δω及和频2ω为中心的两个频谱，通过低通滤波器（简称LPF）后，和频信号被滤去，于是经LPF输出的信号为 若两信号频率相同（这符合大多数实验条件），则Δω=0，上式变为 （3.1.4） 式中K是与低通滤波器的传输系数有关的常数。 上式表明，若两个相关信号为同频正弦波时，经相关检测后，其相关函数与两信号幅度的乘积成正比，同时与它们之间位相差的余弦成正比，特别是当待测信号和参考信号同频同位相， 即Δω=0，φ=0时，输出最大，即 可见参考信号也参与了输出。为保证高质量的检测，参考信号必须非常稳定。实际常用的参考信号Vr(t)是方波。 对于Vr(t)是方波的情况，相应采用开关式乘法器，称为相敏检波器（简称PSD）。可将它等效为按输入信号Vs(t)的频率来改变极性的双刀掷开关（参见图10.2.2），此时可令 当待测信号频率和参考信号基波相同时，即ωr=ωs，LPE的输出为 ,(3.1.5) 式中k仍是与LPF传输系数有关的常数，式（3.1.5）表明，在Vr(t)为方波的情况，经相关检测后，其输出仅与待测信号的幅度es成正比，与两信号的相位差φ成正比。如图（3.1.2）中Vs(t)和Vr(t)同时改变极性，则两者相位差φ=0，则
SR850锁相放大器使用注意
一、SR850锁相放大器面板介绍 如上，SR850面板，主要包括为电源键、旋转按钮、软键盘、自动键、控制键、系统键、数字键、菜单键、输入输出等，各部分详细功能如下：（1）电源键/软键盘：左上角为屏幕亮度调节按钮，左下角为电源开关按钮，屏幕右侧为软键盘，用来选择菜单对应项目。 （2）旋转按钮：旋转按钮用来调节参数的大小，实现数据的连续微调（固定数据可从数字键盘区域直接输入）。 （3）自动键：主要是数据采集过程中，对信号采集条件的自动自适应调节。 （4）控制键：主要包括复位、光标、显示功能等控制功能的调节。 （5）系统键：系统打印、系统帮助命令按键，从Help中可以最直观的查看SR850的适用方法，打印功能目前不可用。 （6）菜单键：主要用来针对数据采集功能的相关测试条件的测试，常用REF PHASE、GEIN TC、DISPLAY SCALE这三个功能键。 （7）输入输出：共5个BNC接口，从左到右依次为基准输入、正弦输出、通道1输出、通道2输出，模拟输入1、模拟输入2。在选择外部基准源时，从基准输入外部基准源；在选择内部基准源时，可从正弦输出测试当前内部基准源；通道1/2输出暂时不设计；目前探测器信号接入模拟输入1口。
二、SR850锁相放大器操作步骤 SR850锁相放大器在操作中我们应该遵循一定的步骤，具体的流程如下所示： （1）首先，按下电源按键的同时，按下“←”键，完成开机清零功能，等待SR850自检通过，松开按键 （2）亮度可由左上角的旋转按钮调节，调整到适当的位置即可。 （3）点击REF Phase，选择基准源为External（外部）或者Internal（内部）。这里需要注意的是基准源不能为50Hz的倍频，否则会引入较大的市电交流噪声（近万倍的噪声）。 a)如果使用外部基准源作为参考信号，则选择External模式，并且从REF IN输入外部基准信号 b)如果使用内部基准源作为参考信号，则选择Internal模式（正弦波），并且从面板输入参考频率、有效值等（比如360Hz，5V rms）。 （4）从A-IN输入外部待测信号 a)点击AUTO SCALE（自动量程），A TUO PHASE（自动相位） b)点击AUTO GAIN（自动增益）如果采集到的信号比较小，在mV灵敏度无法观察到，则进一步进行设置。 c)点击GAIN TC按键，调节sensitivity使得R值占Bar 50%左右（其他自动）。 d)上一步操作后，不要再次选择AUTO GAIN（自动增益）功能，否则由于灵敏度/量程的选择不恰当，应该测量的数据。 e)如果基准源小于200Hz，则在同步选项中选择<200Hz；否则同步模式选择off。 f)选择Time Constant时间常数，当输入信号较小是，则应该适当增大时间常数，来获得更稳定的数据（一般设定为1S） （5）从面板读入R值。在锁相放大器正确设置后，可通过PC上位机进行多次数据的辅助读取，并用相关软件进行分析。 三、SR850锁相放大器注意事项 （1）探测器加压控制在800~1200V之间，且开启后，电压从小到大加压；关闭时，电压从大到小调节再关闭。 （2）无论是内部还是外部基准源，都不能为50Hz的倍频，不然会引入交流噪声，影响测量结果 （3）为保护激光器，在关闭时，先由大到小调节亮度，再关闭电源。
锁相放大器
数字锁相放大器 SR810，SR830数字锁相放大器 SR810数字锁相放大器 SR830数字锁相放大器 SR810/ SR830后面板 z频率范围 1mHz到102.4kHz z＞100dB的动态保留 z稳定性为5ppm/℃ z0.01度的相位分辨率 z时间常数为10μs到30ks（最大24dB/倍频程衰减速率） z具有自动获取，自动定相，自动存储，自动补偿功能 z合成参考光源 z GPIB和RS-232两种接口
SR810和SR830数字锁相放大器以合理的价格提供给您更高的性能。 SR830具有同时显示信号的大小和相位的功能，而SR810只显示信号的大小。它们以数字信号处理技术取代了传统锁相放大器中的解调器、输出滤波器和放大器。并且具备了1mHz到102 kHz的工作频率范围和无漂移100 dB的动态存储。 输入通道 SR810和SR830有6nV/√Hz的微分输入噪声，输入阻抗为10 M?,最小量程输入电压的灵敏度为2nV。输入也可以设置成电流测量的模式，其可选的电流增益为106 V/A和108V/A。单线路滤波器(50 Hz 或60 Hz)和双线路滤波器(100 Hz 或 120 Hz)用来消除线路中有关的干涉。与传统的锁相放大器不同，SR810和SR830在输入端没有跟踪带通滤波器。在传统锁相放大器中，带通滤波器是用来提高动态存储的，但它同时也引入了噪声、振幅和相位的误差以及漂移。SR810和SR830之所以不需要带通滤波器，是因为它的数字信号处理设计使它本身就具有很大的动态存储。 高动态存储 锁相放大器的动态存储在给定输入电压的量程时是这样定义的，它等于最大噪声信号与输入电压量程的比值。最大噪声信号是指在所有频率中，能够淹没输入信号致使锁相放大器不能够在测量精度范围内测量被测信号的最大信号的振幅。传统锁相放大器利用模拟解调器来混合输入信号与参考信号，其动态存储被限制在60dB左右，并且受到稳定性差、输出漂移、过大增益和相位误差的影响。在SR810和SR830中，解调是这样完成的：先用高精度的A/D转换器对输入信号进行采样，然后将这个被数字化的输入信号乘以一个合成的参考信号。这种数字解调技术可以得到大于100dB的动态存储（不加前置滤波器），并且不会产生模拟型产品解调时带来的误差。 数字化滤波 数字信号处理器同样可以完成输出滤波的任务，允许的时间常数从10fs到30,000 s，且具有 6, 12, 18和24 dB/倍频程衰减速率。低频测量时（低于 200Hz），同步滤波器可以滤去参考频率的高次谐波。当参考信号的谐波被滤去后（特别是2次谐波），有效的输出滤波即完成，得到更短的时间常数。 数字相位移动 模拟相位移动电路也被数字信号处理计算所取代。相位测量的分辨率为 0.01°，并且X输出与Y输出正交，分辨率为0.001°。