锁相放大预习实验.docVIP

得分 教师签名 批改日期 深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称： 近代物理实验二 课程编号： 实验名称：锁相放大实验 学院： 物理科学与技术 专业： 应用物理 班级： 组号： 第五组 指导教师：张哲煌 报告人： 学号： 实验地点 科技楼 316 实验时间： 2013 年 4 月 9 日 实验报告提交时间： 实验目的 1、了解相关检测基本原理； 2、了解锁相放大器的基本组成,特性参数和应用； 3、学习正确使用锁相放大器。 实验原理 1、相关检测及相关检测器 相关：指两个函数间有一定的关系。 相关包括自相关和互相关两种。 1）.互相关检测原理： (3.1.1) 令f1(t)=V1(t)+n1(t)，f2(t)=V1(t)+n2(t)n1(t)和n2(t)V1(t)及参考信号V2(t)混在一起的噪声，则式（3.1.1）可写成 （3.1.2） 式中Rsr(τ)，Rr2(τ)，Rr1(τ)，R12(τ) （3.1.3） 上式表明，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。根据此原理设计的相关检测器见图（3.1.1）所示。它是锁相放大器的心脏。 图3.1.1 相关检测器 通常相关检测器由乘法器和积分器构成。乘法器有两种：一种是模拟式乘法器：另一种是开头式乘法器，常采用方波作参考信号，而积分通常由RC低通滤波器构成。 现在令式（3.1.3）中两个信号均为正弦波： 等测信号为 Vs(t)=escosωt; 参考信号为 Vr(t-τ)=ercos[(ω+Δω)t+φ]. 在式中r为两个信号的延迟时间。它们进入乘法器后变换输出为V(t)， 即由原来以ω为中心频率的频谱变换成以Δω及和频2ω为中心的两个频谱，通过低通滤波器（简称LPF）后，和频信号被滤去，于是经LPF输出的信号为 若两信号频率相同（这符合大多数实验条件），则Δω=0，上式变为 （3.1.4） 式中K是与低通滤波器的传输系数有关的常数。 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余弦成正比，特别是当待测信号和参考信号同频同位相，即Δω=0，φ=0 可见参考信号也参与了输出。为保证高质量的检测，参考信号必须非常稳定。实际常用的参考信号Vr(t)是方波。 对于Vr(t)是方波的情况，相应采用开关式乘法器，称为相敏检波器（简称PSD）。可将它等效为按输入信号Vs(t)的频率来改变极性的双刀掷开关（参见图10.2.2），此时可令 当待测信号频率和参考信号基波相同时，即ωr=ωs，LPE的输出为 , (3.1.5) 式中k仍是与LPF传输系数有关的常数，式（3.1.5）表明，在Vr(t)为方波的情况，经相关检测后，其输出仅与待测信号的幅度es成正比，与两信号的相位差φ成正比。如图（3.1.2）中Vs(t)和Vr(t)同时改变极性，则两者相位差φ=0，则 图3.1.2 相敏检波器的等效开关电路 V(t)为全部“正”或“负”的脉动，否则V(t)就是“正”或“负”交替的交流信号。信号经RC滤波后得到一定幅值的直流成分 Vo. 当φ=0，π时，Vo最大；φ=π/2时Vo=0.如图3.1.3(a)~(c)所示。当非同步的干涉信号进入PSD后，得到如图3.1.3(d)的波形。经LPF积分后，平均值为零，得到抑制。这种等效的开关电路可用场效应管斩波器或晶体管开关电路来实现。 理论上，由于噪声和信号不相关，通过相关检测器后应被抑制，但由于LPF的积分时间不可能无限大，实际上仍有噪声电平影响，它与LPF的时间常数密切相关，通过加大时间常数可以改善信噪比。 图3.1.3 相敏检波器的输出波形 2、锁相放大器的基本组成。目前锁相放大器类型很多，但其