锁相放大实验报告.pdfVIP

锁相放大实验报告

锁相放大实验报告

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，获得相位角与电压、放大倍数与电压的关系，并且通过噪声的观察知道如何

消除噪声。

关键词

锁相放大器，通道，噪声带宽，信噪比正文

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。

一、实验原理简析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。

1.相关检测原理所谓相关就是指两个函数间有一定的关系，如果他们的乘积

对时间求平均（积分）为零，则表明这两个函数不相关（彼此独立）；

如不为零，则表明两者相关。由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信

号检测中大都是采用互相关检测原理。

如果)(1tf和)(2tf为两个功率有限的信号，则可定义其相关函数为：

TTldttftfTR)()(2/1lim21)(由于噪声的频率和相位都是

随机量，它的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。因而可以认为信

号和噪声，噪声和噪声之间是互相独立，相关函数为零，通过推导，则：

YTrsdttvtTR)()(2/1lim)(

由此可知，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。

根据相关检测的原理设计的相关检测器是锁定放大器的心脏。

通常相关器由乘法器和积分器组成。常采用方波做参考信号，而积分通常由

ＲＣ低通滤波器构成。

待测信号：tssetcos)(；

参考信号：trretcos)(；

式中为两信号的延迟时间，他们进入乘法器后，变换输入为)(t，若有

两个信号频率相同，则0。通过低通滤波器后，高频信号被滤去，于是：

（Ｋ为低通滤波器的传输系数有关的常数）

因而，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

1

幅度的乘积成正比，同时与他们之间的相差余弦成正比，特别是当待测信号和参

考信号同频同位相，即0，0时输出最大，即rsomeKe。

由此可知，参考信号也参与了输出。基于模拟乘法器对参考信号稳定要求极

高的缺陷，现行设备中常采用开关式乘法器构成。

开关乘法器,称为相敏检波器（PSD）。相关器由PSD与LPF组成。此时待测

信号)(ts为正弦信号。参考信号)(ts为方波信号，即

当ωr=ωs时Vo(t)=Kescosφ，上式表明，输出仅与待测信号的幅度es成

正比，也是两信号的相差φ成正比。

以上我们假设噪声与信号不相关，通过相关检测器后噪声被抑制，到由于低

通滤波器的积分时间不可能无限大，实际上仍有噪声输出，它与时间常数有关，

通过加大时间常数可以改善信噪比。

2、锁相放大器对噪声的抑制（1）等效噪声带宽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