光電测量技术实验指导书2008版本.doc

光电测量技术实验指导书 实验一 锁相放大器的使用 （验证性实验） [实验目的] 1、了解锁相放大器的用途。 2、了解锁相放大器的工作原理。 3、了解锁相放大器的结构组成。 [实验原理] 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。由于被检测的信号很微弱，而噪声和干扰却很强，所以被检测的信号应进行放大和滤波处理，以滤除通带以外的噪声和干扰。参考信号的作用是提供一个与输入信号同频的方波或正弦波。相敏检波的作用是对输入信号和参考信号进行乘法运算，从而得到输入信号与参考信号的和频与差频信号。后续的低通滤波的作用是滤除和频分量，这时的等效噪声带宽很窄，极强地抑制了输入噪声。设X（t）是伴有噪声的周期信号，即： X（t）=S(t)+N（t）=Asin(ωt+)+N(t) 其中，S（t）为有用信号，其幅值为A，角频率为ω，初相角为，N（t）为随机噪声。 参考正弦信号为：Y（t）=Bsin(ωt+) 其中，τ是时间位移。则两者的相关函数为： 由于参考信号Y(t)与随机噪声N（t）互不相关，所以Rny(τ)=0，于是就有： Rxy(τ)=（AB/2）cos(+β) 从而得出Rxy(τ)正比于有用信号的幅值。 由以上分析可知，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 图 1.1 [锁相放大器的结构] ■使用PSD（相敏检波器）作为乘法器。如前面所解说的那样，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。 图 1.2 采用方波作为参照信号，与参照信号同步使被测量信号的极性翻转，也就是在×1/×(-1)这两者之间进行切换。■需要进行相位调节。如图所示，PSD的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的相位差，而产生很大的变化。由此，低通滤波器（LPF）的输出信号（也就是锁相放大器测量所得到的值）也会产生变化。 图 1.3 除了相位差为0°之外，在其他状态下不能很好地测量被测信号的大小。这样，就需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0°，然后再输入到PSD。这个相位调节的电路，称作移相电路（Phase Shifter）,是锁相放大器中必不可少的电路。 图 1.4 上述的锁相放大器，称作「单相位锁相放大器」。为了能够正确地测量振幅和相位，需要有能够调节移相电路的「相位调节」部分。另外，如果将参照信号的相位移动90°，使用两个PSD，那么也可以组成不需要调节相位的「双相位锁相放大器」。 [实验步骤] 连线 实验中使用函数信号发生器给阻值分别为2MΩ和200Ω的串连电阻提供电压，然后把两电阻的分压分别作为参考信号和测量信号送入锁相放大器，其连线图为图1.5。 量程设置 检查连线无误后，首先打开锁相放大器电源开关。把锁相放大器量设置为最大。然后打开函数信号发生器电源开关，把函数信号发生器的调制频率和电压分别设置为1kHz和1V。最后再改变锁相放大器的量程，在X读数盘的指针指到最大刻度2/3左右的位置时进行读数。 读数计算 锁相放大器的测量结果为测量信号的电压，它通过X表盘和Y表盘进行输出。其中 Xout=U测cos(α-β)＋VOFST, Yout=U测sin(α-β)+ VOFST; α和β分别为参考信号和测量信号的初相位 , VOFST为偏移量（在本实验中近似为0）。因此U测＝(Xout 2+Yout2)1/2。 分别测量1k,5k频率下1V，1.5V，2.0V，2.5V，3V五个参考电压值的200Ω电阻的10组电压值（参考信号）。 数据处理 计算出理论上200Ω电阻的电压值，与测量结果进行比较，分析误差原因。(注意：函数信号发生器提供的电压为峰－峰值，锁相放大器测量的电压为有效值) [思考题] 1、锁相放大器是一种什么结构的测量仪器？在进行光的测量时，为了避免外来光线的干扰，需要在暗室里进行测量，这是一般的常识。但是，不管设置多么好的暗室，也不可能使外来的干扰光线化为零。另外，在用红外光谱仪测量时，周围的温度本身就成为外来的干扰