第四讲 锁定放大技术VIP专享VIP免费

微弱信号检测技术第四讲锁定放大技术4.1概述•锁定（锁相）放大器（lock-inamplifier）就是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪。•锁定放大电路利用相关检测技术，基于互相关原理，使输入待测的微弱周期信号与频率相同的参考信号在相关器中实现互相关，从而将深埋在大量的非相关噪声中的微弱有用信号检测出来，起着检测器和窄带滤波的双重作用。1962年第一台仪器问世，发现俄歇效应。据统计，已在几百种场合中得到应用。在弱信号探测仪器中锁定放大器是一个非常重要的品种。信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当于Q值=108）。•锁定放大器工作原理锁定放大器组成：信号通道、参考通道、相敏检测器（PSD）、低通滤波器（LPF）•信号通道：交流放大输入信号，以满足推动PSD；滤除带外噪声和干扰；与信号源进行噪声匹配。•参考通道：调理参考信号和调整相位。•相敏检测器：对输入信号和参考信号完成乘法运算，得到二者的和频与差频的谐波信号。•低通滤波器：滤掉高次谐波和高频信号成分，提取深埋在噪声中的微弱信号。工作过程•由本地振荡产生一个与被测目的信号频率相同的参照信号，通过移相电路移相后与输入信号进行乘法运算，在输入信号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(被测目的信号)才会被转换成直流，因而才能够通过低通滤波器。其他频率的分量(噪声信号)因为被转换成频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器滤除。由以上分析可知，锁定检测放大电路利用了参照信号与被测目的信号具有相关性,而与噪声信号互不相关、相互独立的性质，较好地抑制了噪声。锁定放大器特点(1)用调制器将直流或渐变信号进行调制，然后交流放大，可以避免噪声的不利影响；(2)利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；(3)利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。4.2相敏检测•相敏检测器是锁定放大器的核心部件，鉴幅又鉴相。•相敏检测器实现了被测信号与参考信号的互相关运算。•通常有模拟乘法器型相敏检测器和电子开关型相敏检测器。其中电子开关式相敏检测器由于受到参考信号幅度波动的影响较小，所以得到更广泛的应用。4.2.1模拟乘法器型相敏检测器•相敏检测器输出up(t)：up(t)=x(t)·r(t)1、x(t)和r(t)均为正弦波x(t)=Vscos(0t+)r(t)=Vrcos(0t)输出为：up(t)=x(t)·r(t)=Vscos(0t+)·Vrcos(0t)=0.5VsVrcos()+0.5VsVrcos(20t+)频谱的迁移利用LPF将两倍频滤掉，得到直流输出：u0(t)=0.5VsVrcosθ是检信号与参考信号的夹角。如果参考信号的幅度恒定，输出电压与被测信号的幅度成正比，同时与相差有关。调节移相器使＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝•2、x(t)为正弦波，r(t)为方波x(t)=Vscos(0t+)])12cos[(12)1(4)(011tnnVtrnnr•PSD输出为：•滤波器LPF输出为：)2cos(12)1(2])22cos[(12)1(2)(011011tnnVVtnnVVtunnrsnnrspcos2)(0rsVVtu•3、x(t)为正弦波含单频噪声，r(t)为正弦波x(t)=Vscos(0t+)+Vncos(nt+a)r(t)=Vrcos0t=cos0t(LetVr=1)•x(t)与r(t)相乘，结果为：up(t)=x(t).r(t)=0.5VscosVscos(20t+)+0.5Vncos[(n+0)t+a]+0.5Vncos[(n-0)t+a]•4、x(t)和r(t)均为方波•积分器输出：])12cos[(12)1(4)(011tnnVtxnns])12cos[(12)1(4)(011tnnVtrnnr0000000)()(1)(1)(TTpdttrtxTdttuTu•相敏检测波形•输出的相鉴特性为2),3/2(0),/21()(0rsrsVVVVu•5、x(t)为正弦波含噪声，r(t)为方波x(t)=Vscos(0t+)+n(t)•相敏检测器PSD的输出为：])12cos[(12)1(4)(011tnnVtrnnrtnnVtntnnVVtnnVVtrtxtunnrnnrsnnrsp011011011)12cos(12)1(4)()2cos(12)1(2])22cos[(12)1(2)()()(n(t)为宽带...