第三部分锁定放大电路设计与应用..ppt

国防科大机电工程与自动化学院 Error Theory and Data Processing 国防科技大学机电工程与自动化学院 4.3.1 正交矢量型锁定放大器 4.3.2 外差式锁定放大器 4.3.3 微机化数字式相敏检测器 优点: 数字式滤波器的等效噪声带宽可以做到非常窄,为检测更微弱的信号提供了可能; 为测量低频信号提供了可能; 具有很高的线性度; 具有很好的灵活性. 4.3.3 微机化数字式相敏检测器 4.5 性能指标与动态协调 满刻度输出时的输入电平FS 过载电平OVL 最小可测信号MDS 输入总动态范围 输出动态范围 动态储备 4.5.1 主要性能指标 4.5 性能指标与动态协调 满刻度输出时的输入电平FS 满刻度输出时的输入电平FS表征了锁定放大器的测量灵敏度,它取决于系统的总增益.例如,如果系统的总增益为108,满刻度输出为10V,则其FS输入电平为0.1uV,FS为允许信号峰值. 4.5.1 主要性能指标 4.5 性能指标与动态协调 (2) 过载电平OVL 定义为使LIA任何一级出现临界过载的输入信号电平.当输入信号或噪声的幅值超过过载电平时,系统将引起非线性失真.过载电平为允许的输入噪声最大峰值. 4.5.1 主要性能指标 4.5 性能指标与动态协调 (3) 最小可测信号MDS 定义为能辨别的最小输入信号,是测量值的下限.MDS主要取决于系统漂移,输出端的漂移量折合到输入端即为MDS. 4.5.1 主要性能指标 4.5 性能指标与动态协调 (4) 输入总动态范围 4.5.1 主要性能指标 (5) 输出动态范围 (6) 动态储备 4.5 性能指标与动态协调 输入总动态范围=输出动态范围+动态储备 4.5.1 主要性能指标 4.5 性能指标与动态协调 4.5.2 动态范围与频率的关系 4.5 性能指标与动态协调 4.5.3 动态协调 动态协调：直流增益和交流增益如何分配的问题 4.5 性能指标与动态协调 高稳定工作状态下,被测信号的动态范围较大,但是噪声很容易使PSD过载,适用于输入信噪比比较高的情况. 高储备状态下,LIA 中的PSD不易过载,锁定放大器具有良好的抵御噪声能力,但是被测信号的动态范围较小. 4.5 性能指标与动态协调 (a)、(b)的满量程都是10mV，不过由于增益的分配不同，所以输入噪声限幅电平在(a)中为20VP-P，在(b)中为2VP-P 。所以(a)的DR=66dB，(b)的DR=46dB。 4.5 性能指标与动态协调 例1：锁定放大器的动态范围要多大才好？ （1）非常低的MDS，大概在10-4FS数量级以下； （2）十分高的过载电平，加带通放大器使动态储备达到105。 （3）十分宽广的总动态范围，达108以上。 （4）在任何给定条件下，都可以控制动态协调，使测量最佳化。 例2: 锁定放大器的参考频率为1kHz，信号通道无滤波器时，OVL=100FS。设宽带高斯分布干扰噪声的带宽为40kHz，均方根值为340FS（峰值近似为3*340FS=1020FS）。在信号通道中加入BPF，以使该噪声不至于引起锁定放大器过载，试求BPF的等效噪声带宽Be.（Be=1.57*f/Q) 4.5 性能指标与动态协调 4.5 性能指标与动态协调 4.6 锁定放大器应用 在锁定放大器应用中需要考虑下列几个问题: (1) LIA的功能相当于一种抑制噪声能力很强的交流电压表,输入是正弦波或方波交流信号,输出是输入波形幅值的直流信号.如果被测信号不是交流信号,则需要用调制或斩波的方式将其变换成交流信号. (2) LIA中PSD后续的LPF常用积分器来实现,积分器的时间常数决定了LIA的等效噪声带宽,也决定了LIA所实现的信噪改善比SNIR.积分器的时间常数越大,等效噪声带宽越窄,SNIR越大,所需的测量时间也就越长. 4.6 锁定放大器应用 在锁定放大器应用中需要考虑下列几个问题: (3)要根据信号和噪声的具体情况适当地分配LIA的交流增益和直流增益.如果信号的动态范围大,而噪声又不很严重,就应该使LIA工作在高稳定状态;如果噪声严重,为了使LIA能够正常工作,则必须使LIA协调在高储备状态. (4)测量系统良好的屏蔽与接地是LIA发挥其效用的必要条件. 4.6 锁定放大器应用 在锁定放大器应用中需要考虑下列几个问题: (5) LIA的参考信号输入必须是与被测信号相关的同频信号。 (6) LIA的信号输入前置放大器的工作参数必须认真选择，根据放大