锁相放大器
锁相技术知识点总结
锁相技术知识点总结一、锁相放大器的原理锁相放大器是锁相技术的核心设备，其原理是利用相位敏感检测器（PSD）和低通滤波器实现对输入信号的相位测量和提取。
相位敏感检测器是将输入信号和参考信号相乘，然后通过低通滤波器滤除高频信号，得到一个与输入信号相位有关的直流信号。
通过对这个直流信号进行放大和数字化处理，就可以得到输入信号的相位信息。
锁相放大器的原理可以简单地用一个比喻来理解，就是通过将输入信号和参考信号进行“比对”，得到两者之间的相位差，然后通过放大和数字化处理来得到相位信息。
二、锁相放大器的工作原理锁相放大器的工作原理可以分为两个步骤：信号相位的检测和信号的放大和数字化处理。
在信号相位的检测步骤中，输入信号和参考信号经过相位敏感检测器进行相乘，并通过低通滤波器滤除高频信号，得到一个与输入信号相位有关的直流信号。
在信号的放大和数字化处理步骤中，直流信号经过放大器进行放大，然后经过模数转换器进行数字化处理，得到输入信号的相位信息。
整个过程中，锁相放大器可以通过调节参考信号的相位、频率和幅度来对输入信号进行精确的测量和控制。
三、锁相放大器的应用锁相放大器广泛应用于科学研究、通信、医学、生物化学、工业控制等领域。
在科学研究领域，锁相放大器常用于对微弱信号的测量和分析；在通信领域，锁相放大器常用于对调制信号的检测和解调；在医学领域，锁相放大器常用于生物信号的测量和分析；在生物化学领域，锁相放大器常用于对生物信号的检测和分析；在工业控制领域，锁相放大器常用于对工艺参数的测量和控制。
锁相放大器通过提高信噪比和测量精度，可以满足不同领域对信号测量和控制的需求。
四、锁相放大器的发展趋势随着科学技术的发展，锁相放大器的性能不断提高，应用领域不断拓展。
锁相放大器的发展趋势主要包括以下几个方面：一是性能的提高，包括测量精度的提高、频率范围的扩大、动态范围的增加等；二是功能的增强，包括新的信号处理算法、新的控制方式、新的接口标准等；三是应用领域的拓展，包括科学研究、通信、医学、生物化学、工业控制等领域的应用；四是结构的优化，包括体积的缩小、功耗的降低、成本的降低等。
锁相放大器 原理
锁相放大器原理锁相放大器是一种高灵敏度、高稳定性的测量仪器，主要用于测量高精度的弱信号，如光信号和电信号。
其原理是利用参考信号和待测信号的相位差，进行频率选择和信号增益放大。
锁相放大器基本原理是通过一个正弦参考信号和待测信号在相位上的比较来测量待测信号的幅度和相位差。
在锁相放大器中，参考信号经过参考信号发生器产生，同时作为激励信号送入模拟电路，待测信号则在探测器中测量得到，然后送入锁相放大器。
在锁相放大器中，待测信号与参考信号混频，同时将混频信号分为正弦和余弦两路。
正弦和余弦两路信号分别经过相移器和低通滤波器，得到相位和幅度信息，最终输出通过运算放大器得到的结果。
锁相放大器最大特点是可以通过不同相位角的乘法器来进行相位选择，使得信号在不同相角的幅度值得到不同的权重，从而提高锁相放大器的灵敏度和稳定性。
锁相放大器主要有四个部分组成：参考信号发生器、混频器、相位选择器和低通滤波器。
参考信号发生器用于产生基准信号以及参考信号，基准信号一般是一定频率和幅度的正弦波。
混频器用于将待测信号与参考信号进行混频，在混频时需要注意保证混频信号在频率范围内。
相位选择器一般包括相移器、乘法器、运算放大器等，用于对混频信号进行相位角的选择，从而提高锁相放大器的灵敏度和稳定性。
低通滤波器主要用于滤除混频信号中的高频噪声，提高测量精度。
锁相放大器具有很多优点。
首先，相比于其他测量仪器，锁相放大器具有较高的灵敏度和低的噪声；其次，相位选择器可以实现对混频信号相位的选取，提高了系统的稳定性；最后，锁相放大器具备强抗干扰性，能够有效地抑制外部干扰信号，提高测量精度。
锁相放大器广泛应用于生物医学、光学、物理、电学等领域。
其中，在光学领域，锁相放大器主要用于实现光学检测和光学成像；在电学领域，锁相放大器主要用于检测直流信号和交流信号的分量，同时也可以用于测量电容、电感和电阻等电学元件的参数。
在物理领域，锁相放大器主要用于精密时间测量和振动测量等领域。
锁相放大器的使用方法与注意事项
锁相放大器的使用方法与注意事项引言：在现代科学研究和工程应用中，锁相放大器作为一种重要的电子测量仪器被广泛使用。
它能够提取出微弱信号，并将其放大，同时抑制噪声的干扰，从而实现高精度的测量。
本文将介绍锁相放大器的使用方法以及需要注意的事项。
一、锁相放大器的基本原理锁相放大器是利用同步相位侦测原理来提高信号的测量灵敏度。
它通过将待测信号与参考信号进行相位比较和放大，使得信号的幅值提高，并消除噪声的影响。
其基本原理是将待测信号与参考信号进行乘积运算，再通过低通滤波器得到直流分量，实现信号的提取和放大。
二、锁相放大器的使用步骤1. 连接与设置首先，将待测信号源与锁相放大器相连，并确保电缆连接良好。
然后，设置参考信号源，调节其频率和幅度，使之满足实际应用需求。
同时，还需要设置滤波器和增益控制参数，以获得较好的测量结果。
2. 校准和调节在使用锁相放大器前，必须进行校准和调节。
校准时，将参考信号源设置为0相位，并调节放大倍数为1。
然后，将待测信号输入锁相放大器，调节相位补偿器，使得待测信号与参考信号的相位差最小。
调节完成后，可进一步调整放大倍数，以达到最佳测量效果。
3. 信号测量在进行信号测量时，先选择合适的测量模式，如调幅、调频或调相等。
然后，根据实际测量需求，选择合适的滤波器类型和频率，以去除噪声和杂散信号。
调节相位和增益控制参数，使得信号在正确的范围内，并满足测量要求。
三、锁相放大器使用中需要注意的事项1. 信号源的稳定性锁相放大器对信号源的稳定性要求较高。
因此，在进行测量前，需确保信号源的输出功率、频率、相位等参数稳定，并进行必要的校准和调节。
2. 外部干扰的排除由于环境中存在各种干扰源，如电磁干扰、机械振动等，测量时需采取措施排除这些干扰。
例如，使用屏蔽箱或增加信号隔离器等。
3. 正确设置滤波器滤波器的选择和设置直接影响测量结果的精度和稳定性。
应根据待测信号的频率特性和噪声的频谱分布，选择合适的滤波器类型和频率带宽。
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。
锁相放大器处理直流信号
锁相放大器处理直流信号1. 什么是锁相放大器？锁相放大器（Lock-in Amplifier）是一种专门用于处理弱信号的电子测量仪器。
它通过将输入信号与参考信号相互比较，提取出与参考信号相位相同的部分，从而放大并测量出微弱的信号。
2. 锁相放大器的工作原理锁相放大器的工作原理基于相位敏感检测技术。
其主要步骤如下：1.输入信号与参考信号混频：输入信号与参考信号经过混频器混频，产生一个中频信号。
2.低通滤波：通过低通滤波器去除混频后的中频信号中的高频成分，得到直流信号。
3.直流信号放大：对直流信号进行放大，以增强微弱信号的强度。
4.相位检测：将放大后的直流信号与参考信号进行相位比较，提取出与参考信号相位相同的部分。
5.输出结果：将提取出的信号经过滤波和放大后输出，得到最终的测量结果。
3. 锁相放大器的优势锁相放大器相对于传统放大器具有以下优势：•抗噪性强：锁相放大器通过相位比较的方式，可以抑制噪声对信号的影响，提高信噪比。
•高灵敏度：锁相放大器可以放大微弱信号，使其可以被测量和分析。
•宽频带：锁相放大器可以处理宽频带的信号，适用于多种频率范围的应用。
•相位分辨率高：锁相放大器可以实现对信号相位的高精度测量。
4. 锁相放大器在处理直流信号中的应用锁相放大器在处理直流信号方面具有广泛的应用。
以下是几个典型的应用场景：4.1 直流信号测量锁相放大器可以用于直流信号的测量。
通过将直流信号作为输入信号，将参考信号设定为与输入信号频率相同的稳定信号，锁相放大器可以提取出直流信号的幅值和相位信息，实现对直流信号的精确测量。
4.2 直流信号控制锁相放大器还可以用于直流信号的控制。
通过将直流信号作为反馈信号，参考信号作为控制信号，锁相放大器可以实现对直流信号的精确调节和控制。
例如，在光学系统中，锁相放大器可以用于控制激光的输出功率和频率稳定性。
4.3 直流信号分析锁相放大器在直流信号分析中也有重要应用。
通过将直流信号作为输入信号，将参考信号设定为与输入信号频率相同的稳定信号，锁相放大器可以提取出直流信号的谐波成分和相位信息，从而实现对直流信号的频谱分析和相位分析。
锁相放大器
锁相放大器锁相放大器是一种高性能的通用测量仪器,它能精确地测量被掩埋在噪音中的微弱信号。
随着科学技术的飞速发展,在电子学、信息科学、光学、电磁学、低温物理等许多领域,越来越需要测量深埋在噪音中的微弱信号。
本文介绍了一种低成本,灵活性高的缩相器。
特别在系统检测精确、性能指标、稳定性与抗干扰方面,达到理想效果。
一、锁相放大器锁相放大器是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器。
它作为一种信号恢复仪器,在弱信号测量中的重要作用,已经引起人们越来越广泛的重视。
1·锁相放大器的研究背景锁相放大器(Lock- in Amplifier, LIA)不仅能像选频放大器那样利用信号的频率特性,还抓住了信号的相位特点,即“锁定”了被测信号的相位。
它的等效噪声带宽非常窄,一般可以做到1mHz,远比选频放大器的带宽窄。
因此,基于锁相放大器所具有的输出稳定性、强有力滤除噪声的能力以及能将深埋在噪声中的微弱信号提取出来并加以放大的优良特性,应当选用锁相放大器。
2·锁相放大器的理论分析与设计要求(1)锁相放大器的工作原理锁相放大器采用的是外差式振荡技术,它把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。
即利用锁相放大器中的信号相关原理,对两个混有噪声的周期信号进行相乘和积分处理后,将信号从噪声中检测出来,并达到通过互相关运算削弱噪声影响的目的。
设是伴有噪声的周期信号,即X(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωt+φ)+N(t)其中,N(t)为随机噪声,S(t)为有用信号,A为其幅值,角频率为ω,初相角为φ。
参考正弦信号为:Y(t)=Bsin(ωt+τ)+M(t)其中,B为其幅值,τ是时间位移,M(t)为随机噪声。
则两者的相关函数为:由于在被测量的信号里所包含的各种信号分量中,参考信号Y(t)的频率只与输入的有用信号频率相关,与随机噪声N(t)的频率不相关,且有用信号S(t)与随机噪声M (t)之间及噪声与噪声之间的频率也均相互独立,所以它们的相关函数为零,即Rny(τ)=0于是,就有从而,令锁相放大器实现了从噪声中提取有用信号的目的。
锁相放大器处理直流信号
锁相放大器处理直流信号摘要：一、锁相放大器基本原理二、锁相放大器在处理直流信号中的应用三、锁相放大器的优势与局限性四、如何选择合适的锁相放大器正文：一、锁相放大器基本原理锁相放大器（Lock-in Amplifier）是一种具有高度selective（选择性）、high-impedance（高阻抗）和high-gain（高增益）特性的放大器。
其基本原理是通过将输入信号与本振信号进行混频，得到一个交流信号，然后对交流信号进行放大，最后通过低通滤波器得到放大后的直流信号。
二、锁相放大器在处理直流信号中的应用锁相放大器在处理直流信号时，可以有效地抑制噪声和干扰，提高信号的信噪比。
在实际应用中，锁相放大器广泛应用于电信号处理、生物医学信号处理、通信系统等领域。
1.电信号处理：在电信号测量中，锁相放大器可以有效地抑制工频干扰、电磁干扰等，从而提高测量精度。
2.生物医学信号处理：在生物医学领域，锁相放大器可以用于心电信号、脑电信号等微弱信号的检测，提高信号质量。
3.通信系统：在通信系统中，锁相放大器可以用于放大和处理基带信号、载波信号等，提高通信质量。
三、锁相放大器的优势与局限性1.优势（1）高增益：锁相放大器具有很高的增益，可以放大微弱信号，提高信号质量。
（2）高选择性：锁相放大器对特定频率的信号具有很高的选择性，可以有效抑制噪声和干扰。
（3）线性度好：锁相放大器具有很好的线性度，能够保证信号的失真度较低。
2.局限性（1）成本较高：锁相放大器的制作成本相对较高，尤其是在高性能锁相放大器方面。
（2）体积较大：锁相放大器通常需要一定的体积来容纳相关电路，因此在便携式设备中应用受限。
四、如何选择合适的锁相放大器1.确定应用场景：根据实际应用需求，选择适合的锁相放大器，如电信号处理、生物医学信号处理等。
2.选择合适的增益范围：根据待放大信号的幅度范围，选择合适的增益范围，以保证信号不被过载。
3.考虑带宽和频率响应：根据信号的频率特性和噪声特性，选择具有合适带宽和频率响应的锁相放大器。
锁相放大器
功能是为相敏检波器提供一个与输入信号同 相方波或正弦波。
相关器：
锁相放大器原理：
Vs (t) es cost
Vr (t ) er cos[( )t ]
1.待测信号为：
在V 式(t)中 Vs (t)为V两r (t个信) 号 e的ser延co迟s[(时 间。)它t 们进] c入ost 乘法器12后ese变r{换co输s(出t为V()t)，cos[(2 )t ]}
即V由o (原t) 来 K以eωse为r c中os心(频t率的)频谱变换成
0
若两信号频Vo率(t)相同K（ese这r c符os合大多数条件），
则
，上式变为
K是与低通滤波器的传输系数 0,有 0关的常数。
Vo (r) Keser
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
红外探测器所得曲线作为真值来校准 温度传感器的频率响应并获取系统误差的修
谢谢
u0 t
2VsVr
cos
u0 t与情况1类似
3. xt为正弦波含单频噪声， rt为正弦波
xt Vs cos0t Vn cosnt
rt cos0t Vr 1
信号项
和频项
up t xt rt 0.5Vs cos 0.5Vs cos20t
0.5V n cosn 0 t 0.5Vn cosn 0 t
信号与噪声的和频项 信号与噪声的差频项
经低通，第二项、第三项被滤除
u0t 0.5Vs cos 加n0 LPF带宽的噪声
锁相放大器在温度传感器校准系统
中的应用
在瞬态温度测量中,温度随时间迅速变化,由于测温传感器 感温件的热惯性和有限热传导,测出的温度与实际温度存在差 别,这种差别即为动态响应误差。为了尽量减少这类系统误差, 需对测温传感器进行动、静态校准。校准装置由于存在电源噪 声、辐射噪声、震动噪声及回馈控制噪声等的影响,低温下系 统的微弱信号将被噪声淹没,无法分辨有效的信号,使系统无法 在低温范围对温度传感器校准 。在系统中加入锁相放大器,利 用噪声与参考信号不相关,而湮没于噪声当中的微弱信号与参 考信号有着极高的相关性的特点,从而改善了系统的信噪比,拓 宽了校准系统的温度下限。
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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：（1） 高低通滤波器图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f 0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f 0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，PSD 1实际上是一个混频器, 图2 高低通频滤波器原理，具有频率f 0信号经放大滤波后进入混频PSD ,其输出为和频项(f i +2f 0)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PSD 2完成相敏检波后,得到解调输出U 0,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0f i f 02f f i + 0f f i + 0f0f 0U 放大滤波 1PSD 通频i f 带通滤波 2PSD 直流放 大 参考振荡源1f 混频i fr （t ）图4为同步积分器的电路图。
同步积分器是一种RC积分电路,用电子开关使其轮流导通。
电子开关由参考信号形成的开关方波控制,K1、K2和K3同时动作。
当信号输入后，电容C就轮流充电，由于它是一种积分电路，故输出可以抑制噪音。
输出频率为f0的方波，其幅度与输入信号幅度成正比，从而达到了抑制噪音，提取信号的目的，所以同步积分器也相当于一种可变中心频率的带通滤波器。
图 4 同步积分器原理图2．参考通道参考通道的作用是提供锁相放大器中PSD的开关方波。
这种波应是一个具有正负半周之比为1:1,频率为F的方波。
开关方波的相位能在00－3600之间任意移动,以保证输出信号Ｕ0能达到正或负的最大。
由于方波的对称性,可以消除偶次谐波的响应。
参考通道的输入为频率f的正弦波,经移相,整形后得到开关方波。
因此,对参考信号的频率和幅度有一定的要求,通常幅度应大于100 mＶ以上。
另外,输入信号的波形可以是非正弦波,因为它可以通过整形达到规范化。
移相电路可以用RC移相网络。
模拟门积分比较器。
锁相环等组成。
3.直流放大器由PSD输出的信号是直流电压或缓慢变化的信号,因此后续的电路应为直流放大器。
直流通道主要问题是放大器零漂的影响。
由于PSD输出的直流信号可能很小(特别是对微弱正弦信号的检测),因此要选择低漂移的运算放大器作为直流放大器的前置级。
其次,器件的1/f噪声也是引起输出电压波动的原因,因此要求有尽量小的1/f噪声。
4.相关器详见相关实验。
二.锁相放大器的特性参量任何仪器均有自己的主要性能指标,锁相放大器是一种微弱信号检测仪器,可以实现在噪声中微弱正弦信号的测量,因此它的主要特性参量就是根据这个要求而确定的。
1. 等效噪声带宽(ENBW)为测量深埋在噪声中的微弱信号,必须尽可能地压缩频带宽度, 锁相放大器最后检测的是与输入信号幅度成正比的直流电压,原则上与被测信号的频率无关,因此,频带宽度可以做得很窄。
可采用一级普通的RC 滤波器来完成频带压缩。
所以锁相放大器的等效噪声带宽(ENBW)的定义。
一个普通的一级RC 滤波器,其传输系数22211C R K ω+=其等效噪声带宽RC CR df df K f 411022202=+==∆⎰⎰∞∞ω （1） 如取RC 时间常数s T 1=,则Z H f 25.0=∆。
2. 信噪比改善(SNIR)对于锁相放大器的SNIR,可用输出信号的噪声带宽f 与锁相检波器输出的噪声带宽f之比的平方根来表示,即 noni f f SNIR ∆∆= （2） 令Z ni kH f 10=∆,s RC 1=,若用一级RC 滤波,则Z no H f 25.0=∆,那么信噪比改善为200倍。
3. 动态范围图5 锁相放大器的动态特性根据锁相放大器的三个性能指标,可以确定锁相放大器的动态范围,它们三者之间的关系如图5所示,FS 为满刻度输入电平,OVL 为最大输入过载电平,MDS 为最小可检测电平。
锁相放大器的FS 又称满刻度灵敏度,是指输出端电表指示达满刻度是输入的同相、同频正弦信号的有效值。
显然放大器的增益越大,则信号输入越小。
因此,锁相放大器的满刻度灵敏度FS 通常是指仪器放大倍数为最大时,使输出达满刻度的输入电平。
锁相放大器的过载电平是指仪器不产生非线性失真时的最大噪声电平,它是在仪器最大增益状态下测量的。
由于过载时会使仪器工作在非线性状态,从而使满刻度信号响应产生误差,通常定义使信号输出产生5%误差的噪声电平为本仪器的OVL 。
显然,OVL 的值远大于FS 值,其比值称为锁相放大器的动态储备,即 FSOVL lg 20⨯动态储备＝ （3） 动态储备的物理意义是指锁相放大器在维持满刻度输出条件下,输入端所能允许的最坏情况下信噪的直接量度。
对于锁相放大器来说,由于采用PSD 技术,只要低通滤波器的截止频率减少(相当于RC加大),则就可以排除更多噪声,可测量更微弱的正弦信号幅度,从理论上说,输入的噪声再大,也可以抑制,或者说,再小的正弦信号幅度也能被检测到。
但实际上,太小的正弦信号不能被检测到,这是由于当相关器输出的信号过小时,则将被直流通道的零点漂移所淹没,从而使信号幅度不能被准确的测量。
锁相放大器可检测的最小信号电平也是反映锁相放大器性能的主要指标之一。
MDS 越小,则可检测的信号幅度就越小。
因此,MDS 值远小于仪器的FS 值,与其比值成为锁相放大器输出动态范围,即 MDSFS lg 20⨯输出动态范围＝ （4） MDS 测量方法一般是将锁相放大器输入端短路,用记录仪记录其输出漂移量,再除以信号通道增益,折合到输入总动态范围为总动态范围=动态储备+输出动态范围MDSFS FS OVL lg 20lg 20⨯+⨯＝ （5） 它是评价锁相放大器从噪声提取信号能力的主要因素,输入总动态范围一般取决于前置放大器的输入端噪声及输出直流漂移,往往是给定的。
当噪声大时应增加动态储备,使放大器不因噪声而过载,但这是以增大漂移为代价的。
当噪声小时,可增大输出动态范围,相对压缩动态储备,而获得低漂移的准确测量值。
满度信号输入位置的选择要根据测量对象,通过改变锁相放大器的输入灵敏度来达到。
三.双相锁相系统现行锁相放大器规格型号很多,可分为单相和双相两种。
在单相锁相放大器中,输入信号和输出直流电压之间的关系,由式ϕcos )(0s e K t V ⋅=决定。
它说明单相锁相放大器只能静态测量振幅和相位的动态测量。
为了能动态地测量振幅和相位,20世纪70年代后期发展了双相锁相放大器(或称锁相放大器)。
双相锁相放大器原理如图6所示。
双相锁相放大器能同时检测用直流角坐标系表示的同相分量和正交分量;或用极坐标表示的幅值和相位,改变ϕ并不引起幅值的变化。
由图可知,待测信号),(s s t V ϕ经信号通道后,被分别输入两个PSD 电路,它们又分别被两个相互正交的方波信号),(r r t V ϕ和)90,(or r t V +ϕ所驱动,最后在同相PSD 中输出正比于),(s s t V ϕ幅值s e 的电压)cos(r s s Ke ϕϕ-,在另一正交的PSD 中输出电压为)cos(r s s Ke ϕϕ-。
利用向量计算机可以得到被测信号的极坐标表示形式。
图 6 双相锁相放大器原理框图近二三十年来,锁相放大器在原理上无甚新的突破,仅在扩展仪器功能,提高仪器性能方面作了不少努力。
近几年,锁相放大器在国内发展也十分迅速,研制和生产了许多产品,开始形成了系列,性能基本上能满足个方面的需要。
另外,也引进了许多国外产品。
四.实验内容1.锁相放大器实验仪器:双综示波器;微弱信号检测技术实验综合装置,其中包括相关器插件盒,宽带相移器插件盒,选频放大器插件盒,前置放大器插件盒。
多功能信号源插件盒,相位计插件盒,交直流噪声电压表插件盒,频率计插件盒等;ND-601型精密衰减计。
完整的锁相放大器由低噪声前置放大器,选频放大器宽带相移器,相关器等部分组成,其余为测试仪器。
电路连接与10-1实验相关器的PSD 波形观察及输出电压测量基本一样,多功能信号源正弦输出的信号分成两路,一路进入宽带相移器,从其同相端输出作为参考信号进入相关器的参考输入;另一路正弦信号首先进入精密衰减输入,与噪声混合并衰减,从其输出进入前置放大器输出,经其放大后输出进入选频放大器,经选频后最后输入相关器的信号输入端。
实验步骤为：(1) 接通电源,预热两分钟。
调节多功能信号源输出正弦波频率为Z kH 1左右,电压为100mv;调节ND-601型精密衰减器,使其衰减1000倍,输出为100;前置放大器增益开关置1000,接地浮地开关置浮地,测量接地开关置测量;选频放大器的增益开关置⨯10,Q 的值置3,选频频率置1KHZ;相关器交流放大倍数置*10,直流放大倍数置⨯10,时间常数置1s 。