第四讲 锁定放大技术.ppt

微弱信号检测技术4.1概述锁定放大器工作原理信号通道：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。工作过程锁定放大器特点4.2相敏检测4.2.1模拟乘法器型相敏检测器利用LPF将两倍频滤掉，得到直流输出：
u0(t)=0.5VsVrcosq
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q＝0，输出电压的幅度值最大，实现监频监相。2、x(t)为正弦波，r(t)为方波
x(t)=Vscos(w0t+q)PSD输出为：

滤波器LPF输出为：3、x(t)为正弦波含单频噪声，r(t)为正弦波
x(t)=Vscos(w0t+q)+Vncos(wnt+a)
r(t)=Vrcosw0t=cosw0t(LetVr=1)

x(t)与r(t)相乘，结果为：
up(t)=x(t).r(t)
=0.5Vscosq+Vscos(2w0t+q)
+0.5Vncos[(wn+w0)t+a]
+0.5Vncos[(wn-w0)t+a]4、x(t)和r(t)均为方波

积分器输出：相敏检测波形输出的相鉴特性为5、x(t)为正弦波含噪声，r(t)为方波
x(t)=Vscos(w0t+q)+n(t)

相敏检测器PSD的输出为：n(t)为宽带噪声或有很多谐波相敏输出结果6、x(t)为正弦波含窄带噪声，r(t)为正弦波相检输出4.2.2电子开关型相敏检测器1、变压器式电子开关相敏检测器
信号x(t)经变压器变换成+u和-u（波形和幅值一样，相位相反），电子开关K在参考信号r(t)的控制下分别接通+u和-u，实现x(t)和r(t)相乘的功能。2、运算放大器式电子开关相敏检测器
采用-A增益运放和+A增益运放代替上面的变压器，同样可以实现PSD功能。3、电子开关式相敏检测器的鉴相特性
电子开关式相敏检测器的鉴相特性由下式描述：4.2.2PSD的特性4.3锁定放大器的组成与类型4.3.1锁定放大器的基本组成锁定放大器原理框图1、信号通道
信号通道由AC前置放大电路、带通滤波电路及选频放大电路组成．其作用是将伴有噪声的输入信号放大，并经选频放大对噪声作初步处理。
由于被测信号微弱，伴随的噪声相对较大，要求前置放大电路低噪声、高增益、动态范围大。同时与信号源的输出阻抗匹配。
带通滤波电路的中心频率为载波频率w0，由低通滤波器和高通滤波器组合而成。
在信号通道中常常设置50Hz的滤波器。高通、低通滤波器组合的带通滤波器2、参考通道
参考通道提供参考信号，完成PSD的相关控制。
参考输入信号可以是正弦波、方波、三角波、脉冲波以及一些不规则形状的周期信号，由触发电路将其变换为规则的同步脉冲波。
移相电路通常是参考通道的重要部件，由按级跳变（90°、180°、270°等）和连续可调的移相电路组成，实现0°～360°范围的任意相移值。3、低通滤波器

低通滤波器的作用就是滤除PSD输出的高频部分。低通滤波器的时间常数RC越大，锁定放大器的通频带宽就越窄，抑制噪声的能力就越强。
时间常数RC通常做成可调的，以适应不同被测信号的频率特性需求。4.3.2正交矢量型锁定放大器正交矢量型锁定放大器的同相输出：

正交输出：

被测信号的幅度和相位：4.3.3外差式锁定放大器4.3.4数字式相敏检测器设被测信号的周期微T，每周期内均匀采样M点，采用控制信号为：

参考信号的采样离散值为：

输入信号的采样离散值为：参考信号和输入信号相乘后积分输出：4.3.4锁定放大器的特点4.4锁定放大器的性能指标与动态协调4.4.1LIA的主要性能指标3、满刻度输入电平FS
使输出满刻度显示的输入电平(满刻度灵敏度、仪器检测灵敏度)。

4、输出动态范围D0
输出动态范围定义为满刻度输出时的输入电平FS与最小可检测电平MDS之比。

输出动态范围反映LIA可以检测出的有用信号的动态范围。5、动态贮备Ds
动态贮备定义为LIA的过载电平OVL与满刻度输出时的输入电平FS之比。

动态贮备反映系统抵御干扰和噪声的能力

6、输入动态范围Di
输入动态范围Di定义为LIA的的过载电平OVL最小可检测电平MDS之比。三种动态范围的关系例：锁定放大器的满刻度输出为1V，这时的输入信号电平为1uV。当输入端附加噪声的峰值大到0.45mV，出现过载。将锁定放大器的输入端短路，用记录仪记录的输出长时间漂移电压为2.4mV。试求该锁定放大器的输出动态范围、输入总动态范围和动态储备。
解：系统的