微弱信号检测_第八章.pdf

第八章 锁定放大器 在强背景噪声情况下如何有效地测量μV-nV量级的 微弱正弦信号？其幅度和相位如何？由于传统的滤 波器带宽难以做得很窄，其品质因素不高，因此抑 制噪声的能力有限。锁定放大器就是一种能使带宽 做得很窄、能检测极其微弱正弦信号的仪器，(其输 入信噪比可低达10-5)，相当于一个具有带宽小于 0.0004Hz的中心频率可调滤波器，其品质因素高达 108 。 8.1 锁定放大器的组成和基本原理 锁定放大器是以相关解调器为核心的微弱信号检测仪器， 能在强背景噪声下检测微弱正弦信号的幅度和相位，其结 构框图如图所示。 锁定放大器主要由信号通道、参考通道、相关器和直流 放大器组成。信号通道主要包括前放、滤波和放大环节，其 作用是把被测信号放大一定的幅度，并进行预滤波处理；参 考通道主要由放大、移相和方波电路组成，其作用是提供一 个与被测信号同频率的周期信号，而且其相位可由移相器来 改变；相关器主要包括乘法器和低通滤波器，乘法器用来实 现被测信号的乘法运算，其结果由低通滤波器进行滤波处理。 最后由直流放大器将信号放大到合适的幅度。 锁定放大器的核心部分是相关器，也叫相关解调器，下 面讨论其基本原理。 8.1.1 相关解调器的基本原理 设有接收信号 x (t ) U cos t n (t ) ω + s 0 其中，Us为被测正弦信号的幅度，n(t)为噪声。根据噪声 信号参量估计中的最大似然估计，信号振幅的最大似然估 计 T x t (s )t (dt) T ∫ ˆ 0 aml c x t s t (dt) ( ) T ∫ 2 0 s ∫t dt( ) 0 T c 1 s t ( ) 2 这里, ∫ , s(t)为参考信号。 0 其相位最大似然估计: ⎡ T ⎤ x t ∫( tdt) cos ω0 ˆ ⎢ 0 ⎥ θ arctg ml ⎢ T ⎥ x t ⎢∫( tdt) sin ω0 ⎥ ⎣ 0 ⎦ 据此理论,可对正弦信号幅度Us进行估计,即 T u c x t tdt ( ) cos ω0 s ∫ 0 这里,cos ωt为公式中的S(t)。 0 这种最大似然