定放大器设计.doc

目前微弱信号检测仪器，极大部分都是在上述的这些方法指导下设计与研制的，大致可以分下列几类： ①锁定放大器——相关检测（相干检测） 它是目前最常用的仪器，适于对淹没在噪声背景中的正弦波或方波信号的检测。它的使用范围之广已遍及各个领域，使用十分普遍。 ②取样积分器，多点信号平均器——重复信号的时域平均 这种仪器用于淹没在噪声背景中的信号波形的恢复。测量信噪比的提高，遵守法则。取样积分器适于快速信号波形的恢复，多点信号平均器适于低频信号的恢复。 ③单道光子计数器，光学多通道分析器（OMA）——离散信号的统计处理方法 这两种仪器用于极微弱光的测量。由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号的特征，使利用离散信息处理方法检测成为可能。单道光子计数器是采用光电倍增管（PMT）作传感器，具有明显单光子峰，采用脉冲甄别计数技术，检测微弱光。 光学多通道分析器（OMA），采用光导摄象管等多路转换器件。配上微处理器处理，能得到x、y、t三维图像。具有时间分辨测量的能力，为动力学过程 的研究创造了条件。 ④计算机处理的方法 随着计算机应用范围的扩大，原来在微弱信号检测中一些需要用硬件完成的检测系统，可以用软件来实现。 利用计算机进行曲线拟合，平滑，数字滤波，快速富里叶变换（FFT）及谱估计等方法理信号，提高信噪比，实现微弱信检测的要求。 光电实验的弱信号检测模块包括相关器和锁定放大器实验和多点积分器实验，分别介绍相关接收和同步积累这两种方法。 相关器和锁定放大器实验 实验目的 （1）了解和掌握相关器、锁定放大器工作原理； （2）测定相关器的性能和输出特性； （3）*观察相关器对倍频干扰的抑制作用，观察并测定相关器对倍频干扰的抑制性能； （4）*掌握双相锁定放大器工作原理，并测试双相锁定放大器的输出特性； 锁定放大器和相关器的工作原理 在非电量（如光强、速度、温度、压力等信号）的电测量过程中，需要用传感器把被测物理量转换成电信号即被测信号，送到测量放大器进行处理。在这一过程中各种干扰、噪声信号等杂乱信号也一并混在被测信号中，被测信号越微弱，杂乱信号相对就越大，测量放大器输出信噪比就越小，当被测信号十分微小、杂乱信号足以在放大过程中淹没被测信号时，常规放大器已经无法胜任被测信号的检测放大工作，必须用特殊的方法，锁定放大器就是专门在杂乱信号背景中对传感器输出的微弱的被测信号进行检测提取的仪器。 锁定放大器的使用几乎是与调制过程连在一起的。使用锁定放大器时，一般先用一个已知频率的参考信号对传感器输出的被测信号进行调制，作为锁定放大器的输入信号，调制的目的就是赋予被测信号与参考信号的相关性，而杂乱信号不具备这种相关性，锁定放大器根据这种相关性甄别输入信号和杂乱信号，并据此把输入信号还原为调制前的被测信号，提取被噪声和干扰淹没的测量结果。 对传感器输出信号进行调制的方法是多种多样的，很多情况是结合传感器的工作原理进行的，例如光学测量中，对被测光的光强进行斩光调制，使被测光强与环境干扰光强产生区别，传感器输出中既有被调制后的与调制信号严格相关的被测信号，又有环境光产生的杂乱信号，锁定放大器也能通过相干检测的方法提取被测信号。 数学上可以证明利用输入信号与参考信号的相关性进行检测的方法可以把信噪比提高到常规方法难以想像的程度，在这种方法中，信噪比的提高主要取决于相关器中的低通滤波器的时间常数和调制频率，调制频率越高，被测信号变化越缓慢，则可以用时间常数越长的滤波器把信噪比做的越高，这一优点使凡是可以对传感器的原始信号进行调制的场合，一般都用锁定放大器进行信号检测，因此锁定放大器是目前微弱信号检测的最主要的方法之一。 锁定放大器的输入信号是频率为调制频率的交流信号，而输出端为直流缓变的被测信号，输入是交流输出是直流，输出信号是输入信号中的被测信号成分。 由于传感器信号经调制后的交流信号频率固定，这样可以避免使用直流放大器，采用窄带交流放大器，采用窄带交流放大器可以降低成本、避免直流温漂和时漂、降低１／ｆ噪声，提高共模抑制比、抑制噪声和干扰，带来了一系列优点。 锁定放大器的关键是在还原调制前被测信号的过程中利用输入信号与参考信号的相关性进行相敏检波，它的技术核心是相关器。锁定放大器基本原理框图如图1所示。图中经参考信号调制的传感器输出作为锁定放大器的输入信号被送到信号通道进行阻抗匹配、幅度匹配和交流窄带放大，信号通道采用成本相对低廉的交流窄带放大器；参考信号通过参考通道触发整形、移相加工形成单位对称方波；相关器通过把输入信号与参考信号相乘后再积分的办法，抑制各种噪声和干扰，提取信号中与参考信号相关的成分，把它还原传感器输出的被测信号。 相关器是锁定放大器的核心部件，也是本次实验的重点内容。 图1 锁定放大器基本原理框图 （1）nV到10nV甚至更小，则要求前置放大器必须