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* 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 微弱信号检测技术（一）相关器的研究及其主要参数测量 指导教师：赖发春 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 实验目的 1．了解相关器的原理 2．了解锁定放大器的工作原理 3．学习锁定放大器测量微弱信号的特点 4．测量相关器的输出特性 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 实验仪器 ND—501型微弱信号检测实验综合装置 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 实验原理 在微弱信号检测中，噪声是真实信息以外测量所得的值，往往也称为有害信号。广义的讲，噪声是扣除被测信号真实值以后的各种非零测量值，不论这些非零测量值的来源是外界环境、测量系统、测量人员、还是被测对象。噪声包括两个方面的内容，一是干扰，主要包括非被测信号或非测量系统所引起的噪声，是来自于外界的影响，从而造成的非信号测量值。另一种是来自于被测对象，如传感器、测量器内部等所引起的噪声。 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 实验原理 产生噪声来源有很多，根据其来源，可以分为两大种类。第一类为外部噪声和干扰源，包括电源频率及其谐波干扰，汽车引擎，电弧、电火花等产生的噪声，以及电台、电视台信号的干扰，光照的影响，大气的变化、结构振动、温度涨落，这些噪声源还包括来自宇宙的宇宙射线，宇宙电磁干扰等，这类噪声可统称环境噪声。第二类是来源于电路内部的噪声源，这些噪声主要来自设备的元件中载流子的热起伏，闪烁效应和颗粒性载流子的不平滑，也把这些噪声统称为电子噪声，主要包括热噪声、散粒噪声、暗电流噪声、低频噪声等类型。 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 实验原理 在噪声中提取信号，即微弱信号的检测，目前主要的方法有：相关检测、重复信号的时域平均、离散信号的统计处理和计算机处理。相关检测就是利用锁相放大技术，利用待测信号与参考信号的互相关原理实现对信号的窄带化处理，有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。时域信号的平均处理是利用重复信号的多次测量平圴排除噪声的影响，提取噪声中的信号。 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 实验原理 两个函数的乘积对时间求积分为零，则这两个函数为不相关，否则为相关。微弱信号的相关检测就是利用两个函数间的相互关系进行的，若利用随机信号中的自相关函数来接收信号叫自相关接收，若利用两个随机过程的互相关函数来检测叫互相关检测。 相关器（简称PSD）是由相敏检波器和低通滤波器组成，或者说由乘积分器组成，是锁定放大器的核心部件。乘法器又有模拟乘法器和开关式乘法器，而通常都用开关乘法器，积分器通常也由低通滤波器构成。 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 实验原理 当待测信号与参考信号同频率时，相关器输出的信号与待测信号的幅度Vs有关，也与待测信号与参考信号的相位差有关。调整参考信号的相位，当时，相关器的输出信号与待测信号的幅度成正比，因而实现了幅度的检测目的。 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 实验原理 相关器原理图 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 相关器各点波形 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 谐波响应 当输入信号的频率与参考信号的奇次谐波频率（2n+1）相同时，经低通滤波器就会有直流分量输出，而这些奇次谐波输出的幅度为基波幅度的（2n+1）分之1。当输入信号的频率与参考信号的偶次谐波频率（2n）相同时，经低通滤波器将没有直流分量输出，说明相关器能抑制偶次谐波，是以参考信号频率为参数的方波匹配滤波器。 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 相敏特性 当输入信号为一恒定幅度的与参考信号同步的对称方波时，相关器输出直流电压和参考信号与输入信号的相位差成线性关系，这时相关器可作为签相器。 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 实验接线图 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 实验内容 1．相关器的PSD波形观察及输出电压测量 （正弦波，电压表测） 实验框图参阅讲义 2. 测量相位差分别为00 、900 、1800 、2700 时对应参数（含图）填入表中，其中波形（PSD输出—V1），要填量程格数及幅度 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 实验内容 2．相关器谐波响应的观察与测量（正弦波，电压表测） 改变分频数 ，观测对应的波形， （电压表测）值参数列表（含图） 3．相关器相敏检波特性的测量 VA=100mγ（方波，正弦波电压表测） 改变 ：每从 ，每隔450，测V1、V0列表并作 曲线图 4、以上三个实验均需得出结论 物理学实验教学示范中心 近代物理实验 思考题 1.锁定放大器与一般含义的放大器有什么主要的区别？ 2.相关器和同步积分器是依据什么原理来检测微弱信号的？ 3.输入信号频率与