锁相放大器实验报告剖析
近代物理实验报告—锁相放大器
锁相放大器【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 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 )(21limd 21lim nr sr r n s 2112 τττττR R t t V t V t V T t t f t f T R TT 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)。
锁相放大实验报告
【摘要】 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。
【关键词】锁相放大器 / 微弱信号 / 信息论 / 噪声【引言】锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器。
锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频率（参数输入频率）的信号幅值，而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。
这样我们可以利用参考信号把有用信号从待测信号中分离出来。
锁相放大器主要有三大部分组成：信号通道、参考通道、相关器。
如下图所示：信号通道包括低噪声前置放大器、有源滤波器、主放大器，它的作用是把微弱信号放大到足以推动乘法器的工作电平，并兼顾抑制噪声的功能。
参考通道是指从参考信号输入到乘法器输入之前的部分，它的作用是产生于被测信号同步的参考信号，通常参考通道输出的是与被测信号同步的对称方波，用以驱动乘法器工作。
锁相放大器的频率变换是通过乘法运算来进行的。
一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。
所以在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换。
由开关元件所进行的同步检波电路，称作PSD （相敏检波器，Phase Sensitive Detector ），这是组成锁相放大器的心脏部分。
实际电路存在各种噪声会影响实验的精确度。
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。
锁相放大器的基本原理是相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数1()f t 和2()f t 的相关函数定义为：121()lim()()2TTT R f t f t dt Tττ-→∞=-⎰它是度量一个随机过程在时间t 和t τ-两时刻线性相关的统计参数，如果1()f t 和2()f t完全没有关系，则相关函数将是一个常数。
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。
锁相放大实验报告
锁相放大实验预习报告物理072 陈焕07180217摘要：介绍了测量弱信号的一种实验仪器——锁相放大器，以及锁相放大器的基本工作原理，即利用相关检测原理；测量了利用锁相放大器测量弱信号时相关器的参数。
关键字：锁相放大器、相关检测、相关器的参数引言：测量微弱的变化时，先利用传感器将其转化为相应的电信号，然后对这些电信号进行放大，再记录和利用。
但有电信号十分微弱，而且在各种条件下的噪声和干扰很可能将这些微弱信号淹没，因此不能使用单纯的放大器。
解决这个问题的其中一种方法就是采用相关接收的原理，锁相放大器就是一种利用该原理的仪器。
锁相放大器的介绍：典型的锁相放大器由三部分组成：信号通道，参考通道，相关器。
a．信号通道：是相关器前的那一部分，包括低噪声前置放大器，输入电压器，各种功能的有源滤波器，主放大器等组成，作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声。
b．参考通道：作用是产生与被测信号同步的参考信号输出相关器，主要是触发电路、相移电路、方波形成电路和驱动信号组成。
c．相关器：这是锁相放大器的核心部分，包括乘法器、低通滤波器和直流放大电路。
相关器的介绍：相关器由相敏检波器与低通滤波器组成，是锁相放大器的核心部件。
锁相放大器中的相关器，由一个开关式乘法器与低通滤波器组成。
sin()A A V V t ωϕ=+41(sin sin 3......)3B R R V t t ωωπ=++ 相乘电路采用开关电路，参考电路B V 可以认为是以频率R ω的单位幅度方波。
A V 为输入信号，表示为sin()A A V V t ωϕ=+，当R ωω=为信号，R ωω≠时为噪声或干扰。
,A B V V 之间的相位差ϕ可以由锁相放大器参考通道的相移电路调节，12A V V V =∙0000,1,2.....12121t t R C An R V V e R n π--∞-==-+∑ 式中：12100tan [(21)]]n R Q n R C ωω--+=-+当R ωω=时，0012cos A R V V R ϕπ=-上式表明： 1、 输出不仅与待测信号的幅度A V 有关，也与两信号的相位差ϕ有关。
锁相放大实验 (2)
浙江师范大学实验报告实验名称锁相放大实验班级物理081班姓名王蓓学号08270112同组人翁先祥王聪叶品昭实验日期2010/10/19 室温气温锁相放大实验【摘要】弱信号的测量在当今物理实验中占着很大的地位。
其中锁相放大器是目前最常见的仪器，适用于对淹没在噪声背景中的正弦波或方波信号的检测。
通过本实验及相关知识的了解，了解相关检测原理，锁相放大器(LOOK-IN)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。
【关键词】锁相放大器信噪比微小变化传感器放大信号噪声【正文】锁相放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器。
锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频率（参数输入频率）的信号幅值，而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。
这样我们可以利用参考信号把有用信号从待测信号中分离出来。
锁相放大器主要有三大部分组成：信号通道、参考通道、相关器。
如下图所示：信号通道包括低噪声前置放大器、有源滤波器、主放大器，它的作用是把微弱信号放大到足以推动乘法器的工作电平，并兼顾抑制噪声的功能。
参考通道是指从参考信号输入到乘法器输入之前的部分，它的作用是产生于被测信号同步的参考信号，通常参考通道输出的是与被测信号同步的对称方波，用以驱动乘法器工作。
锁相放大器的频率变换是通过乘法运算来进行的。
一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。
所以在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换。
由开关元件所进行的同步检波电路，称作PSD （相敏检波器，Phase Sensitive Detector ），这是组成锁相放大器的心脏部分。
实际电路存在各种噪声会影响实验的精确度。
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。
锁相放大器的基本原理是相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数1()f t 和2()f t 的相关函数定义为：121()lim()()2TTT R f t f t dtT ττ-→∞=-⎰它是度量一个随机过程在时间t 和t τ-两时刻线性相关的统计参数，如果1()f t 和2()f t 完全没有关系，则相关函数将是一个常数。
锁相放大器报告
锁相放大器报告1. 引言锁相放大器（Lock-in Amplifier）是一种用于检测和放大微弱信号的仪器。
它的原理是利用参考信号与待测信号进行相位比较，并通过频率调制将待测信号转换成与参考信号频率相同的信号，从而实现信号的放大与解调。
锁相放大器在许多领域都有广泛的应用，例如光学测量、电子学实验、磁学、生物医学等。
本报告将重点介绍锁相放大器的原理、应用以及仪器的使用方法。
2. 原理锁相放大器的核心原理是相位敏感放大技术，它通过与参考信号进行相位比较，实现对待测信号的放大与解调。
具体原理可以分为以下几个步骤：1.信号混频：将待测信号与参考信号进行混频，产生一个电压与参考信号频率相同的交流信号。
2.低通滤波：对混频后的信号进行低通滤波，滤除高频噪声部分。
3.相位移动：通过改变参考信号的相位，实现对待测信号相位的调整。
相位调整后，待测信号与参考信号之间的相位差将被最小化。
4.放大器：对调整后的信号进行放大，增加信号的幅度。
5.解调器：将放大后的信号与参考信号进行相乘，得到待测信号的幅度信息。
锁相放大器将以上步骤组合在一起，能够对微弱信号进行高增益放大和高精度解调，从而提高信号的检测灵敏度和测量精度。
3. 应用锁相放大器在许多领域都有广泛的应用，下面将介绍几个典型的应用场景。
3.1 光学测量在光学测量中，锁相放大器常用于检测光能量、相位差、频率等参数。
例如在光学干涉仪中，通过锁相放大器可以对光的干涉信号进行放大和解调，从而实现对干涉信号的精确测量。
3.2 电子学实验锁相放大器在电子学实验中也有着广泛的应用，可以用于检测微弱信号、分析信号的谐波成分等。
例如在电阻、电容和电感测量中，锁相放大器可以消除噪声的影响，提高测量的精度。
3.3 生物医学在生物医学领域，锁相放大器被广泛应用于生物信号检测和分析。
例如在心电图检测中，锁相放大器可以提取出心电信号的有效部分，并抑制背景噪声干扰，从而实现对心电信号的准确分析和诊断。
锁相放大实验报告
锁相放大实验报告锁相放大实验报告摘要本实验利用锁相放大器对微弱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，获得相位角与电压、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，通道，噪声带宽，信噪比正文锁相放大器己成为现代科学技术中必不可少的常备仪器。
国内72年南京大学首先从事这方面的研究工作，1974年研制成了第一台实验室样机，继后物理所等单位相继进行了这一方面的研究工作，1978年才有了工厂生产产品。
现在测量毫微伏量级的信号已是可能。
锁相放大器在涉及到微弱信号检测的各个领域都已得到了广泛的应用。
一、实验原理简析锁相放大器就是用来检测淹没在噪声中的微弱交流信号。
本质上，锁相放大器是一个具有任意窄带宽的滤波器，其频率调谐到信号的频率，排除掉大多数不需要的噪声而只允许被测量信号通过。
除了滤波，锁相放大器也能够提供增益，锁相放大器可以从噪声中提取比噪声小1000倍甚至10000倍的信号，锁相放大器的信噪改善比特别高它可用于测量交流信号的幅度和相位。
有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极髙的灵敏度。
1.相关检测原理所谓相关就是指两个函数间有一定的关系，如果他们的乘积对时间求平均（积分）为零，则表明这两个函数不相关（彼此独立）；如不为零，则表明两者相关。
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是采用互相关检测原理。
如果）（ltf和）（2 tf为两个功率有限的信号，则可定义其相关函数为：TTldttftfTR）（）（2/llim21）（由于噪声的频率和相位都是随机量，它的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。
因而可以认为信号和噪声，噪声和噪声之间是互相独立，相关函数为零，通过推导，则：YTrsdttvtTR）（）（2/1 lim）（由此可知，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。
锁相放大实验
浙师大近代物理实验报告锁相放大实验任希 物理081 08180123摘要：本实验提供了能够测量微弱信号的方法，即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话处理，抑制噪声，实现了对信号的检测和跟踪。
实验中利用了锁相放大器对微弱信号中的噪生进行抑制并对其进行检测。
通过该实验提升了我们对实验仪器的掌握能力，为以后的实验提供帮助。
关键词： 弱信号的检测 锁定放大 互相关检测原理引言随着科学技术和生产的发展，需要测量许多物理量的微小变化，例如：微弱电压、电流、磁场的变化，微小温度的变化，微小的电感，微小的电容，微小的位移、振动等，通常我们测上述微小的变化，可以用传感器将其转化为相应的电信号，然后对这些电信号进行放大，再被我们显示和记录。
但由于这些微小的变化通过传感器转换的电信号十分微弱，各种条件下的噪声和干扰很可能将这些微弱信号淹没，因此单纯的使用放大器将其放大，而且由于放大器本生的噪声会将我们需要的信号淹没得更深。
锁相放大器就是用来检测淹没在噪声中的微弱交流信号。
本质上，锁相放大器是一个具有任意窄带宽的滤波器，其频率调谐到信号的频率，排除掉大多数不需要的噪声而只允许被测量信号通过。
除了滤波，锁相放大器也能够提供增益，例如：一个100nV 的信号可以被放大而产生一个10V 的信号，增益为108。
锁相放大器可以从噪声中提取比噪声小1000倍甚至10000倍的信号，锁相放大器的信噪改善比特别高它可用于测量交流信号的幅度和相位。
有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度。
实验原理相关检测原理，所谓相关就是指两个函数间有一定的关系，如果他们的乘积对时间求平均（积分）为零，则表明这两个函数不相关（彼此独立）；如不为零，则表明两者相关。
相关的概念，按两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是采用互相关检测原理。
如果)(1t f 和)(2τ-t f 为两个功率有限的信号，则可定义其相关函数为：lim 1/2()()12()T R T f t f t dt T l ττ=-⎰-→∞令：()()11()()()22()f t n t s t f t n t r t νν=+=+ 其中)(1t n 和)(2t n 分别代表于待测信号)(t s ν及参考信号)(t r ν混在一起的噪声。
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调节信号源，使输出波形分别为三角波和方波，重复上述观测。
2、相敏检波器的特性研究及主要参数测量
(1)相敏检波器PSD输出波形和电压测量
按图7接线，置交流放大倍数为1，直流放大倍数为10，相关器低通滤波时间常数置1秒，调节宽带移相器的相移量，用示波器观察信号、参考信号及PSD的输出波形并分析它们之间的关系，测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间幅值及相位差的关系，用相位计测量值大小，记录参考信号和输入信号的相位差分别为0、90、180、270时，PSD输出直流信号udc在示波器上输出的波形。与图1比较，分析相关器的原理。
改变时间常数T=0.1s和T=10s，从示波器上观察直流输出信号的波形，比较不同时间常数下的信号波形，同时可以利用2V量程档测量不同时间常数下的直流输出信号中的噪声电压，了解相关器对噪声的抑制能力。
实验数据整理与归纳：
1、参考信号通道特性研究
利用多功能信号源输出正弦波，其频率为1000hz，电压大小为100.3mV，调节相移器的0 、90 、180 、270 移相按钮，示波器ch1通道是输入的正弦波形，ch2通道输出的是通过移相器后的信号波形，记录如下：
(3)相关器对不相关信号的抑制
按图8所示接线，多功能信号源的输出正弦信号为相关器的输入信号，低频信号源的输出信号作为相关器的干扰信号，由相关器的“噪声输入”端输入。由示波器观察相关器的“加法器输出”波形与“PSD输出”波形，用电压表测量输入信号，干扰信号，相关器输出信号大小，由频率计测量信号和干扰信号的频率。
实验目的：
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。
实验使用仪器与材料：
ND-501型微弱信号检测实验综合装置、相敏检波器、示波器、接线及接线口若干。
实验步骤：
(一)、实验仪器
图5是ND-501型微弱信号检测实验综合装置的面板图，该装置把微弱信号检测技术的基本实验部件装在一个插件盒内，由一个能同时插四个插件盒的带电源的机箱，通过插入不同的实验部件盒组成不同类型的微弱信号检测仪器。
(4)相关器对噪声的抑制及等效噪声带宽
白噪声电压与带宽有关，通过高、低通滤波器可以组成一个已知带宽的带通滤波器来确定噪声带宽。对于二阶有源滤波器信号带宽fs与等效噪声带宽fN关系为：fN=(/2)fs
测试方框图如图9所示。白噪声信号源通过高低通滤波器组成的带通滤波器的限制，使高通、低通滤波器的输出为已知等效噪声带宽的噪声源，输给相关器的噪声，白噪声电压的大小由交流、直流、噪声电压表测量，在测量白噪声电压时，给出的是白噪声的均方根电压，注意，只能用2V量程档测量噪声电压。高通，低通滤波器的高通截止频率选在2噪声带宽fN=(/2)fs=(/2)(25000-250)Hz=39kHz。
相关器选KAC＝10，KDC＝10，T＝1秒。输入信号频率fs＝1kHz，Vsi＝50mV，先不加白噪声干扰信号。调节相移器的相移，使输入信号与参考信号同相，并用示波器观察“加法器输出”“PSD输出”的波形，用电压表测量输出电压。
白噪声信号由相关器“噪声输入”输入，作为干扰信号，用示波器观察“加法器输出”的信号与噪声相混的波形。调节白噪声信号源的输出幅度或与高、低通滤波器的放大倍数相配合调节，使输入白噪声均方根电压为100mV。用示波器观察“加法器输出”信号与噪声相混的波形和“PSD输出”波形。用电压表测量相关器输出的信号电压和噪声电压，计算输出信号的信噪比，根据输入输出信噪比计算SNIR，与公式(12)计算的理论值比较。
广东第二师范学院学生实验报告
院（系）名称
物理系
班别
11物理本四B
姓名
专业名称
物理学（师范）
学号
115506020
实验课程名称
近代物理实验
实验项目名称
锁相放大器实验
实验时间
2014年12月25日
实验地点
物理楼五楼实验室
实验成绩
指导老师签名
内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果与分析、实验心得
(二)、锁相放大器的特性和工作参数测定
本实验使用ND-501型微弱信号检测实验综合装置观察锁相放大器的特性并测量其工作参数。
1、参考信号通道特性研究
调节多功能信号源的输出信号为正弦波，用频率计测量其频率，用交流直流噪声电压表测量信号的幅度，调节输出信号的频率为1kHz左右，幅度大小为100mV左右。然后按图6所示接线，按下宽带移相器0移相按钮，调节0~100相位调节按钮，用示波器观察宽带移相器的输入和输出信号的波形的变化，最后使相位差计显示参考信号和输入信号的相位差分别为0、90、180、270对比画出宽带移相器的输入和输出信号的波形。
(2)相关器的谐波响应的测量与观察
将图7中宽带移相器的输入信号接至多功能信号源的“倍频分频输出”，多功能信号源功能“选择”置“分频”，此时，参考信号的频率为信号频率的1/n次倍。
先置分频数为1，调节移相器的相移，使输出直流电压最大，记录输出直流电压的大小。改变n的数值分别为2，3，4，5，进行上述测量，根据测量结果画出相关器对谐波的响应图。
选择相关器的交流放大倍数为1，直流放大倍数为10，时间常数1秒，调节多功能信号源的频率为200Hz(可以任选)，电压为100mV，调节低频信号源的输出电压为0(即相关器输入信号不混有干扰信号)，调节宽带相移器的相移量，使相关器输出的直流电压最大。记录“加法器输出”，“PSD输出”波形及相关器输出的直流电压(正比于输入信号的有效值)。调节低频信号源的输出电压为300mV，即干扰电压为待测量信号电压的3倍。任选一工作频率(例如为930Hz)。由示波器观察“加法器输出”“PSD输出波形”，观测此时被测信号与干扰信号波形及相关器的输出直流电压变化。改变干扰信号的频率，观察相关器对不相关信号的抑制能力，对实验现象进行总结，分析相关器抑制干扰的能力。