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为什么锁相放大器有很强的抗噪声能力
为什么「锁相放大器」有很强的抗噪声能力?
锁相放大器不容易受到噪声影响的原因,是因为很好地利用了噪声(白噪声)与目的信号(正弦波)之间在性质上的差别。在这里,我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质,一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力。
■平坦的频谱
在宽阔的频率范围内,该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。
■随着频带宽度不同测量电压会改变
在用毫伏计测量白噪声时,得到的测量值和白噪声所具有的频谱带宽(BandWidth: B.W.)的平方根以及电平成比例。测量得到的电压值,与下图中的浅蓝色部分的面积成比例。
即使对于同样的噪声,如果用带通滤波器(BPF)来限制所通过的频带,那么测量所得的电压值就会不同。
把测量所得的噪声电压(Vrms),除以频带宽度的平方根,就得到用表示噪声大小的单位、也即称作噪声电压密度(V/√Hz)来衡量的值。频道宽度如果缩小到1/100,那么测量所得的噪声电压就缩小到1/10。
■频谱非常集中
1kHz正弦波信号的频谱,只存在于1kHz的位置,其他地方的频谱的电平都为零。
■与频带宽度无关,测量所得电压保持一定的值。
因为频谱是集中分布的,所以不受频带宽度的影响,测量所得的电压保持一定的值。但是,必须要使信号频率存在于所取的频带之内。
用交流电压表所测量的电压值,与频带宽度无关,是上图中的V。
即使白噪声与正弦波进行加法运算所得的信号,测量所得的电压对于频带宽度所具有的各种性质也不会有变化。所以,当带通滤波器的频带宽度变狭窄时,就会有以下结果:
想要测量的信号的电平不变;
白噪声的强度减小;
交流声等频率不同的成分也当然被削弱。
从以上这些结果可知,为了测量被噪声所掩埋的信号,应该将带通滤波器的频带宽度变窄。如果将频带宽度缩小到1/N,那么噪声就减小到1/√N,而信号却不改变,其结果SN比(信噪比)改善为1/√N。
为了说明「锁相放大器利用了噪声与目的信号所具有的不同性质,所以不容易受到噪声的影响」,前面已解说了以下几个要点:
噪声(白噪声)的性质;
正弦波的性质;
从白噪声与正弦波合成的信号中,使用带通滤波器可以使目的信号(正弦波)从噪声中浮现出来。
■使通带变狭窄的限度
使用带通滤波器只让想要测量的频率信号通过,可以抑制噪声,让目的信号浮现出来。但是,使带通滤波器的通带宽度变窄,这也是有限度的。 在带通滤波器中,中心频率与通带宽度的比值称作Q值,作为衡量带通滤波器的滤波尖锐程度的一项指标来使用。Q值越大,通带宽度就越窄,抑制噪声的能力就越强。但是,一般的滤波器所能够实现的Q值,大约在100左右。对于1kHz的中心频率,相应的通带宽度的限界大约在10Hz左右。Q值不能任意增大的原因,在于组成滤波器的零部件的精确度和时间/温度的稳定性是有限的。
把带通滤波器与锁相放大器做一个比较。
Q(中心频率/通带宽度)
中心频率
带通滤波器
100左右 (10Hz@1kHz)
固定(不容易改变)
锁相放大器
~107 左右 (0.1mHz@1kHz)
追随测量信号
锁相放大器用特殊的方法,使Q提高到约为107 (通常的带通滤波器约为100左右),而且实现了一种特殊的带通滤波器,能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上。
「锁相放大器」是一种什么结构的测量仪器?
锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术,把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。
在外差式振荡技术中被称为本地振荡(Local Oscillation)的、用于做乘法运算的信号,在锁相放大器中被称为参照信号,是从外面输入的。锁相放大器能够(从被测量信号中)检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中,只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流,因而才能够通过低通滤波器(LPF)。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号,所以被低通滤波器(LPF)滤除。在频率域中,如下图所示。
锁相放大器对于噪声的抑制能力,是由上图中低通滤波器(LPF)的截止频率来确定的。例如,在测量10kHz的信号时,如果使用1mHz的低通滤波器(LPF),那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器时的噪声抑制能力。如果换算成为Q值,就相当于5×106。要想真正制造这样高的Q值的带通滤波器,那是不可能的。但是,使用锁相放大器,这就很容易实现了。如同 HYPERLINK http://www.nfcorp.co.jp/chinese/keisoku/noise/li_why4.html 前面所解说的那样,在使用通频带非常狭窄的带通滤波器(BPF)时,如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离,那么就会产生测量误差,最糟糕的情况下可能
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