锁相放大实验预习报告.docVIP

锁相放大实验预习报告 摘要 本实验利用锁相放大器对微弱信号中的噪声进行抑制并对其进行检测，了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成；掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。通过实验学会锁相放大器的使用，掌握利用锁相放大器来观察信号输入信号通道前后的幅值以及波形情况，并通过调节参考通道相移器来改变两信号间的相位差，观测锁相放大器输出信号幅值及波形变化。 关键词 锁相放大器，通道，噪声带宽，信噪比 正文 随着科学技术和生产的发展，需要测量许多物理量的微小变化，例如：微弱电压、电流、磁场的变化，微小温度的变化，微小的电感，微小的电容，微小的位移、振动等，通常我们测上述微小的变化，可以用传感器将其转化为相应的电信号，然后对这些电信号进行放大，再被我们显示和记录。但由于这些微小的变化通过传感器转换的电信号十分微弱，各种条件下的燥声和干扰很可能将这些微弱信号淹没，因此单纯的使用放大器将其放大，而且由于放大器本生的噪声会将我们需要的信号淹没得更深。 锁相放大器就是用来检测淹没在噪声中的微弱交流信号。本质上，锁相放大器是一个具有任意窄带宽的滤波器，其频率调谐到信号的频率，排除掉大多数不需要的噪声而只允许被测量信号通过。除了滤波，锁相放大器也能够提供增益，锁相放大器可以从噪声中提取比噪声小1000倍甚至10000倍的信号，锁相放大器的信噪改善比特别高它可用于测量交流信号的幅度和相位。有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度。 一、实验原理简析 国外1962年出现了第一台锁相放大器。从1962年以来，为了适应发展的科学技术的要求，在国外提高锁相放大器性能的研究工作从未间断过，特别是七十年代后期到现在发展更为迅速，不断取得新的进展。锁相放大器己成为现代科学技术中必不可少的常备仪器。国内72年南京大学首先从事这方面的研究工作，1974年研制成了第一台实验室样机，继后物理所等单位相继进行了这一方面的研究工作，1978年才有了工厂生产产品。现在测量毫微伏量级的信号已是可能。锁相放大器在涉及到微弱信号检测的各个领域都已得到了广泛的应用。 1、锁相放大器工作原理 锁相放大器是采用相干技术制成的微弱信号检测仪器，其基本结构由信号通道、参考通道和相敏检波器（相关器）等三部分组成。 （1）相干检测及相敏检波器 相关反映了两个函数由一定关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号中一般采用抗干扰能力强的互相关检测。 锁相放大器的核心部分是相敏检波器（phase－sensitive detector，简称PSD），也有称它为混频器（mixer）的，它实际上是一个乘法器。加在信号输入端的信号经滤波器会晤调谐放大器后加到PSD的一个输入端。在参考输入端加一个与被测信号频率相同的正弦波（或方波）信号，经触发整形和移相变成方波信号，加到PSD的另一个输入端。 （2）信号通道 待检测的微弱信号和噪声混合在一起输入低噪声前置放大器，经放大后进入前置滤波器，前置滤波器可以是低通、高通、带通或带阻滤波器，或者用这些滤波器的两种以上的组合构成宽带或窄带滤波特性，用于防止在严重的噪声或干扰条件下使PSD出现过载，滤波后的信号经过调谐交流放大器放大到PSD所需的电平后输入PSD。 （3）参考通道 参考通道用于产生相干检测所需的和被测信号同步的参考信号。参考通道首先把和被测信号同频率的的任何一种波形的输入信号转换为占空比为1：1的方波信号，其频率和输入移相器的参考信号的频率相同。现代的锁相放大器还可以给出频率为2的方波信号，主要用于微分测量中相移电路可以精确地调节相位，使PSD中混频器的两个输入信号的相位差严格为零，获得最大的检波直流输出。方形信号通过移相器改变其相位，使得PSD输入的参考信号与被测信号同相位，即。 锁相放大器的PSD的直流输出信号一般要经过滤波和直流放大，然后输出给测量仪表等。 2、锁相放大器对噪声的抑制 （1）等效噪声带宽 为了定量分析放大器抑制噪声的能力，我们先引入等效噪声带宽的概念。 对于输入噪声通常用等效噪声带宽（ENBW）来表征滤波器抑制噪声的能力。假定滤波器的输入为白噪声，即到频率范围内，噪声电压的均方值为 对于PSD，考虑到在基波附近的输出噪声都将在输出端产生噪声分量，故PSD的基波等效噪声带宽应为RC低通滤波器等效噪声带宽的2倍，即 ?????????? 对于白噪声，相应谐波等效噪声带宽为：,总的等效噪声带宽为 国外仪器一般都用低通滤波器的等效噪声带宽代替仪器总的等效噪声带宽，这是不太严格的。128A型锁相放大器的等效噪声带宽采用的就是这类定义。从抑制噪声的角度来看，时间常数R