第八章_微弱信號(hào)檢測(cè)

1、1微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)鎖相放大器取樣積分器光子計(jì)數(shù)2l空間物體檢測(cè)l光譜測(cè)量l生物熒光檢測(cè)31 引言l 微弱信號(hào)檢測(cè)是一門新興的技術(shù)學(xué)科它利用電子學(xué)、信息論和物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)和相關(guān)性，檢測(cè)被噪聲淹沒的微弱信號(hào)。l 在檢測(cè)系統(tǒng)、圖象傳榆和通信設(shè)備中出現(xiàn)噪聲時(shí)，儀器的精度、穩(wěn)定性及重復(fù)性就明顯降低,由于噪聲電報(bào)誤碼率增高，使通信無法正常進(jìn)行，雷達(dá)無法跟蹤目標(biāo)，在電視熒光屏上呈現(xiàn)一片“雪花”，圖象模糊不清。4噪聲與干擾噪聲與干擾l通常把由于材料或器件的物理原因產(chǎn)生的擾動(dòng)稱為噪聲。l把來自外部的原因的擾動(dòng)稱為干擾，有一定的規(guī)律性，可以減少或消除。l鎖定放大器要解決

2、的就是如何在很強(qiáng)的外部干擾環(huán)境中檢測(cè)弱信號(hào)。5噪聲與干擾噪聲與干擾l寬帶的或持續(xù)的無用信號(hào)l瞬時(shí)的或窄帶的無用信號(hào)l市電50Hz或100Hz（整流等）；電臺(tái)；開關(guān)通/斷；高能量的脈沖電流或電壓；機(jī)械振動(dòng)；太陽活動(dòng)；雷電等6l 對(duì)有用信號(hào)來講，干擾和噪聲是討嫌的擾動(dòng)。為了區(qū)別，常把可以減少或消除的外部擾動(dòng)稱為干擾，而把由于材料或器件的物理原因所產(chǎn)生的擾動(dòng)稱為噪聲。 l 來自檢測(cè)系統(tǒng)外部干擾，如市電50或100HZ交流干擾，電臺(tái)的調(diào)幅廣播信號(hào)或電源的開關(guān)火花干擾；脈沖激光、雷達(dá)發(fā)射或電路中高能窄脈沖引起的寬帶干擾；元件或部件的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生額噪效應(yīng)等。這些干擾絕大多數(shù)是“人為的”，采取適當(dāng)?shù)钠帘?、濾

3、波或元件合理配置等措施干擾是可以減小和消除的。l 7l 材料、器件或部件的物理原因產(chǎn)生的噪聲。如處于絕對(duì)零度以上的任何導(dǎo)電體均具有的熱噪聲；晶體管、電子管或光電器件中，因電子隨機(jī)作用而產(chǎn)生的散粒噪聲等，均屬于這類噪聲。這類噪聲是由大量的短尖脈沖組成，其幅度和相位部是隨機(jī)的，脈沖的形狀 (時(shí)間函數(shù))也不一定相同。但任一噪聲脈沖的能量只占總噪聲能量的極微小部分。這些脈沖的疊加，即產(chǎn)生所謂的隨機(jī)噪聲。l 8l 在檢測(cè)系統(tǒng)中，可以處理的最高信號(hào)電平受電路特性的限制，但最小可檢測(cè)電平取決于噪聲。也就是說，噪聲限制了傳感器的分辨率和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。l 當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)擾動(dòng)很大，在無法區(qū)分是干擾還是噪聲時(shí)，

4、可先加以屏蔽。頻率高于1000Hz或阻擾大于1000歐時(shí)，一般采用金屬導(dǎo)體屏蔽，如鋁或銅等。對(duì)于低頻擾動(dòng)或低阻抗的情況，可采用磁屏蔽，如鐵鎳導(dǎo)磁合金等。此外，也可先給前置放大器單獨(dú)供電如有效果，說明噪聲主要來自外部干擾，則可進(jìn)一步采取屏蔽措施。如果還不能減少擾動(dòng)，就應(yīng)認(rèn)為噪聲主要是系統(tǒng)內(nèi)部元部件的隨機(jī)的基本噪聲。9實(shí)驗(yàn)室中的典型噪聲環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中的典型噪聲環(huán)境l50Hz電源布線，儀器內(nèi)部功率單元等l50Hz的諧波可控硅斬波，整流，電感等造成正弦波失真或毛刺l電氣觸點(diǎn)的通/斷觸點(diǎn)的通/斷總伴隨著電火花或電弧10實(shí)驗(yàn)室中的典型噪聲環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中的典型噪聲環(huán)境l高頻信號(hào)開關(guān)電源大功率高頻振蕩器l1/f

5、噪聲11-8-6-4-20+2+4+6+8-8-6-4-2+2+4+6+80110+2+3+4+5+6+7頻率頻率單位帶寬的相對(duì)功率單位帶寬的相對(duì)功率實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的噪聲與干擾分布實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的噪聲與干擾分布市電市電50Hz150Hz100Hz200Hz典型寬帶典型寬帶干擾范圍干擾范圍調(diào)幅調(diào)幅廣播廣播調(diào)頻調(diào)頻廣播廣播12檢測(cè)系統(tǒng)的屏蔽與接地檢測(cè)系統(tǒng)的屏蔽與接地l噪聲的引入噪聲的引入:電容性耦合：電場(chǎng)引起，噪聲源內(nèi)阻高電感性耦合：磁場(chǎng)引起，噪聲源內(nèi)阻低13噪聲的屏蔽噪聲的屏蔽l電容性耦合：降低電路的阻抗，在噪聲源與信號(hào)線之間建立導(dǎo)電屏障，屏障接地。例屏蔽線，銅罩殼等。14噪聲的屏蔽噪聲的屏蔽l電感性耦

6、合減少回路面積，用鐵磁性物質(zhì)包圍噪聲源。例如，變壓器的外殼，雙絞線。15接地接地l接大地：消除電位差；消靜電。l接信號(hào)地：信號(hào)的公共點(diǎn)，提供信號(hào)回路，減少阻抗。1MHz低頻以下可采用一點(diǎn)接地，10MHz以上高頻可采用大面積多點(diǎn)接地。還要注意區(qū)分模擬地和數(shù)字地。16電阻熱噪聲l檢測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲主要由電阻和各種器件產(chǎn)生的。l噪聲是自由電子熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生，故通常稱它為熱噪聲。熱噪聲電流在電阻內(nèi)流動(dòng)時(shí)，電阻兩端就產(chǎn)生噪聲電壓。因此在l必須考慮熱噪聲的情況下，任何一個(gè)電阻器在電路中的作用，等效于一個(gè)無噪聲電阻和一個(gè)熱噪聲電壓串聯(lián)17電阻的過剩噪聲l 當(dāng)電阻中流過直流電流時(shí)，往往產(chǎn)生過剩噪聲。過剩噪聲是指

7、在電阻的基本熱噪聲之外多余出來的噪聲。由于它是電流通過電阻時(shí)產(chǎn)生的噪聲，所以又稱電流噪聲。在電流流過不連續(xù)的導(dǎo)體，如電阻器時(shí)即產(chǎn)生這種噪聲。合成碳質(zhì)電阻是碳粒同粘合劑的混合物壓制而成的.由于電導(dǎo)率是不均勻的. 直流電流不是均勻地流過電阻器,在碳粒之間有一些象微弧跳變的東西，因而產(chǎn)生電流尖峰或脈沖。這些電流尖峰或脈沖即是過剩噪聲。電阻器越均勻，過剩噪聲越小。合成碳質(zhì)電阻器噪聲最大，金屬膜和線繞電阻器的噪聲較小.18典型電阻器的總噪聲19各種電阻的噪聲指數(shù)20半導(dǎo)體二極管的散粒噪聲l 半導(dǎo)體二極管中的散粒噪聲是在接通電壓后，電流通過PN結(jié)產(chǎn)生的。在不同時(shí)刻通以PN結(jié)位壘的載流子的數(shù)目是隨機(jī)的,時(shí)多

8、時(shí)少，因而造成電流的起伏。這種由于位壘中載流子的散粒性所產(chǎn)生的噪聲，稱為散較噪聲。21半導(dǎo)體三極管的內(nèi)部噪聲l 放大器的噪聲是檢測(cè)系統(tǒng)的主要成份之一，也是影響測(cè)量?jī)x器靈敏度的重要因素。l(1)電阻熱噪聲.半導(dǎo)體三極管內(nèi)的損耗電阻產(chǎn)生電阻熱噪聲。具體地講它是由基極電阻和各電極接線的損耗電阻產(chǎn)生的。l (2)散粒噪聲.與PN結(jié)二極管一樣，半導(dǎo)體三報(bào)管的兩個(gè)PN結(jié)的電流也產(chǎn)生散粒噪聲電流。22l (3)分配噪聲(高頻噪聲)l 半導(dǎo)體三極管中載流子從發(fā)射結(jié)注入基區(qū)后，大部分流向集電極，成為集電極電流，小部分在基區(qū)與異性的載流子復(fù)合，成為基極電流。載流子在基極中的復(fù)合作用是隨機(jī)的,時(shí)多時(shí)少,復(fù)合較少時(shí)流

9、向集電極的載流子就多，因而集電極電流大；反之，集電極電流小，基極電流大。從而集電極電流中包含著由于的集電極電流和基極電流分配比例發(fā)生變化而引起的輸出電流起伏，這種起伏分量而形成的噪聲稱分配噪聲。23l(4)閃耀噪聲(1f噪聲)l 閃耀噪聲的功率譜密度與頻率成反比，它是低頻噪聲。實(shí)驗(yàn)表明，它的大小與半導(dǎo)體材料及其表面漏電流有關(guān)。24l(5)尖峰噪聲l。一般認(rèn)為產(chǎn)生原因是器件中PN結(jié)的缺陷所造成的。在信息檢測(cè)中尖蜂噪聲影響l校嚴(yán)重。在揚(yáng)聲器中會(huì)發(fā)出象炒玉米的爆炸聲，故又叫爆裂噪聲。25l低噪聲設(shè)計(jì)中，在選譯電路元、器件時(shí)應(yīng)盡且減少或避免噪聲的引入。l (一)電容器的選擇l在低噪聲設(shè)計(jì)中常用云母和瓷

10、介電容器。大容量電容器中，鋁殼的電解電容器漏電較大，鉭電解電容器漏電小，所以鉭電解電容器適合在低噪聲電路中使用。2627l 在微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)中，需要處理的主要是基本噪聲且絕大多數(shù)是隨機(jī)噪聲。l 隨機(jī)噪聲是一種前后獨(dú)立的平穩(wěn)隨機(jī)過程，在任何時(shí)刻它的幅度、波形及相位那是隨機(jī)的。但每一種噪聲還是服從于一定的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，因此又是可統(tǒng)計(jì)的。例如，只要產(chǎn)生噪聲過程的條件不變，噪聲功率或給定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的能量就不變，它在時(shí)間域內(nèi)的幅度平均值是零。大多數(shù)噪聲瞬時(shí)幅度的概率分布是正態(tài)的，即符合高斯分布規(guī)律28l噪聲電壓不僅某一瞬間取值是隨機(jī)的，且噪聲電壓隨時(shí)間變化也是隨機(jī)的、故稱為隨機(jī)過程。但系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，

11、不同時(shí)刻噪聲的概率分布規(guī)律是一樣的，因此又稱為平穩(wěn)隨機(jī)過程。29l平穩(wěn)隨機(jī)過程的另一個(gè)重要特征量是它的相關(guān)函數(shù) 。它表示隨機(jī)過程二個(gè)不同時(shí)l間上的相關(guān)性，其定義3031噪聲的相關(guān)函數(shù)32測(cè)量技術(shù)的分類測(cè)量技術(shù)的分類l非相關(guān)測(cè)量普通的電壓表，示波器，頻率計(jì)等使用方便，用途廣泛l相關(guān)測(cè)量鎖定放大器，同步積分器，光子計(jì)數(shù)器,數(shù)字濾波器等抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，靈敏度高33取樣積分器取樣積分器 取樣積分器取樣積分器(Boxcar)， 是一種微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。是一種微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。它在原理上是很古老的，它利用周期性信號(hào)的重它在原理上是很古老的，它利用周期性信號(hào)的重復(fù)特性，在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)的一部分取樣

12、一次，復(fù)特性，在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器算出平均值，于是各個(gè)周期內(nèi)取然后經(jīng)過積分器算出平均值，于是各個(gè)周期內(nèi)取樣平均信號(hào)的總體便展現(xiàn)了待測(cè)信號(hào)的真實(shí)波形。樣平均信號(hào)的總體便展現(xiàn)了待測(cè)信號(hào)的真實(shí)波形。因?yàn)樾盘?hào)提取因?yàn)樾盘?hào)提取(取樣取樣)是經(jīng)過多次重復(fù)的，而噪聲是經(jīng)過多次重復(fù)的，而噪聲多次重復(fù)的統(tǒng)計(jì)平均值為零，所以可大大提高信多次重復(fù)的統(tǒng)計(jì)平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號(hào)波形。噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號(hào)波形。34一、取樣積分器的工作原理一、取樣積分器的工作原理1、取樣門及積分器、取樣門及積分器 取樣點(diǎn)的值，應(yīng)是信號(hào)和噪聲的和，我們以取樣點(diǎn)的值，應(yīng)是信號(hào)

13、和噪聲的和，我們以信號(hào)和噪聲功率平均值來看積分前后信噪比的變信號(hào)和噪聲功率平均值來看積分前后信噪比的變化。若輸入信號(hào)為化。若輸入信號(hào)為Vsi，經(jīng)過積分器，經(jīng)過積分器M次積累后所次積累后所得到的輸出電壓為得到的輸出電壓為35噪聲電壓是隨機(jī)量噪聲電壓是隨機(jī)量Vni ，經(jīng)過，經(jīng)過m次積累以后，次積累以后，相加所得值相加所得值Vn仍為隨機(jī)變量仍為隨機(jī)變量36通過累積以后獲得的信噪比為通過累積以后獲得的信噪比為通過累積以后信號(hào)噪聲幅值比通過累積以后信號(hào)噪聲幅值比(SNIR)為為37 一個(gè)取樣積分器的核心組件是取樣門和積分一個(gè)取樣積分器的核心組件是取樣門和積分器，通常采用取樣脈沖控制器，通常采用取樣脈沖控

14、制RC積分器來實(shí)積分器來實(shí)現(xiàn)，使在取樣時(shí)間內(nèi)被取樣的波形作同步現(xiàn)，使在取樣時(shí)間內(nèi)被取樣的波形作同步積累，并將所積累的結(jié)果積累，并將所積累的結(jié)果(輸出輸出)保持到下一保持到下一次取樣次取樣38取樣門及積分器取樣門及積分器3940 取樣積分器通常有兩種工作模式，即定取樣積分器通常有兩種工作模式，即定點(diǎn)式和掃描式。定點(diǎn)式取樣積分器是測(cè)量點(diǎn)式和掃描式。定點(diǎn)式取樣積分器是測(cè)量周期信號(hào)的某一瞬態(tài)平均值；周期信號(hào)的某一瞬態(tài)平均值； 掃描式取樣積分器則可以恢復(fù)和記錄被掃描式取樣積分器則可以恢復(fù)和記錄被測(cè)信號(hào)的波形。下面分別討論這兩種模式。測(cè)信號(hào)的波形。下面分別討論這兩種模式。412定點(diǎn)式取樣積分器定點(diǎn)式取樣積

15、分器42 定點(diǎn)式取樣是對(duì)被噪聲淹沒的信號(hào)在固定點(diǎn)式取樣是對(duì)被噪聲淹沒的信號(hào)在固定點(diǎn)取樣、平均，所以經(jīng)定點(diǎn)取樣、平均，所以經(jīng)m次取樣平均后，次取樣平均后，其幅值信噪比改善為其幅值信噪比改善為 定點(diǎn)式取樣積分器僅能在噪聲中提取信定點(diǎn)式取樣積分器僅能在噪聲中提取信號(hào)瞬時(shí)值，其功能與鎖定放大器相同，不號(hào)瞬時(shí)值，其功能與鎖定放大器相同，不同的定點(diǎn)可通過手控延時(shí)電路來實(shí)現(xiàn)。同的定點(diǎn)可通過手控延時(shí)電路來實(shí)現(xiàn)。433掃描式取樣積分器掃描式取樣積分器 掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號(hào)掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號(hào)波形上延時(shí)取樣，可以恢復(fù)被測(cè)信號(hào)波形。波形上延時(shí)取樣，可以恢復(fù)被測(cè)信號(hào)波形。它主要包括可變時(shí)延

16、的取樣脈沖和在取樣它主要包括可變時(shí)延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下作同步積累這兩個(gè)過程。脈沖控制下作同步積累這兩個(gè)過程。 掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的被測(cè)信號(hào)相同，而在時(shí)間上大大放慢了的被測(cè)信號(hào)相同，而在時(shí)間上大大放慢了的輸出波形，故掃描式取樣積分器能在噪聲輸出波形，故掃描式取樣積分器能在噪聲中提取信號(hào)并恢復(fù)波形。中提取信號(hào)并恢復(fù)波形。44454647 定點(diǎn)式取樣積分器按照定點(diǎn)取樣定點(diǎn)式取樣積分器按照定點(diǎn)取樣m次的法則，次的法則，不難理解幅值信噪比改善為不難理解幅值信噪比改善為 的結(jié)論。的結(jié)論。 對(duì)掃描式取樣積分器由于可變時(shí)延的取對(duì)掃描式取樣積分器由于可變

17、時(shí)延的取樣脈沖在取樣過程中取樣點(diǎn)是逐漸變化的，樣脈沖在取樣過程中取樣點(diǎn)是逐漸變化的，所以它的取樣過程受到門脈沖寬度的限制，所以它的取樣過程受到門脈沖寬度的限制，只有在門寬范圍內(nèi)才能被取樣。只有在門寬范圍內(nèi)才能被取樣。信噪比改善信噪比改善48由于慢掃描電壓相對(duì)于時(shí)基電壓變化十分緩慢，因而由于慢掃描電壓相對(duì)于時(shí)基電壓變化十分緩慢，因而取樣脈沖相對(duì)于觸發(fā)脈沖的移動(dòng)也是十分緩慢的，以取樣脈沖相對(duì)于觸發(fā)脈沖的移動(dòng)也是十分緩慢的，以至在輸入的被測(cè)信號(hào)波形上每一至在輸入的被測(cè)信號(hào)波形上每一“點(diǎn)點(diǎn)”依次可以掠過依次可以掠過多個(gè)門寬的取樣脈沖，從而對(duì)波形每個(gè)取樣多個(gè)門寬的取樣脈沖，從而對(duì)波形每個(gè)取樣“點(diǎn)點(diǎn)”進(jìn)進(jìn)

18、行多次積累平均。行多次積累平均。49舉例l舉例l用取樣法組成的測(cè)光系統(tǒng)l使用雙通道取樣積分器的激光分析505152具有基線取樣的取樣積分器53雙通道取樣積分系統(tǒng)54 鎖相放大器鎖相放大器 鎖相放大器又稱鎖定放大器它也是一鎖相放大器又稱鎖定放大器它也是一種微弱信號(hào)的檢測(cè)儀器。它起到了一個(gè)極種微弱信號(hào)的檢測(cè)儀器。它起到了一個(gè)極窄的帶通濾波器的作用，而不是普通濾波窄的帶通濾波器的作用，而不是普通濾波器。它的原理也是基于信號(hào)和噪聲在相關(guān)器。它的原理也是基于信號(hào)和噪聲在相關(guān)特性方面的差別。特性方面的差別。55鎖定放大器的工作原理鎖定放大器的工作原理l1962年第一臺(tái)儀器問世。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已在幾百種場(chǎng)合中得到

19、應(yīng)用。在弱信號(hào)探測(cè)儀器中鎖定放大器是一個(gè)非常重要的品種。l信噪比可低達(dá)10-5。BW=0.0004Hz（相當(dāng)于Q值=108）。56兩個(gè)隨機(jī)過程的相關(guān)性兩個(gè)隨機(jī)過程的相關(guān)性l對(duì)兩個(gè)信號(hào)，定義相關(guān)函數(shù)互相關(guān)Rxy 函數(shù)2/2/)()()(1TTTxydttytxRTLim57兩個(gè)隨機(jī)過程的相關(guān)性兩個(gè)隨機(jī)過程的相關(guān)性互相關(guān)Ryx 函數(shù)：2/2/)()()(1TTTyxdttxtyRTLim58隨機(jī)過程的相關(guān)性隨機(jī)過程的相關(guān)性自相關(guān)函數(shù)：2/2/)()()(1TTTdttxtxRTLiml白噪聲，自相關(guān)函數(shù)=059相關(guān)檢測(cè)相關(guān)檢測(cè)60相關(guān)檢測(cè)相關(guān)檢測(cè)l設(shè)有信號(hào)S(t)，通過如上圖所示的功能器件，則有：

20、dttntStntSTR)()()()(1)()()(nnSSRR如果參考信號(hào)是“干凈”的，則只剩下第一項(xiàng)。61相關(guān)檢測(cè)的矢量解釋相關(guān)檢測(cè)的矢量解釋l參考信號(hào)：可看成是基矢(正弦波)或基矢的線性組合（非正弦波，如方波）l檢測(cè)信號(hào)：可看成是由多個(gè)正弦信號(hào)的線性組合l旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，R檢測(cè)信號(hào)繞參考信號(hào)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)62相關(guān)檢測(cè)的矢量解釋相關(guān)檢測(cè)的矢量解釋l檢測(cè)結(jié)果(對(duì)基矢投影)：被檢信號(hào)與參考信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定不動(dòng)；有穩(wěn)定輸出-直流被檢信號(hào)與參考信號(hào)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；有不穩(wěn)定輸出-交流l通過阻容電路（積分器）可濾除交流，取出直流63典型鎖相放大器原理64l鎖定（鎖相）放大器（lock-in amplifier）就是

21、利用互相關(guān)原理設(shè)計(jì)的一種同步相關(guān)檢測(cè)儀，利用參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的互相關(guān)特性，提取出與參考信號(hào)同頻率和同相位的被測(cè)信號(hào)。鎖定放大器可在比被測(cè)光信號(hào)強(qiáng)100dB 的外來干擾中檢測(cè)出目的信號(hào)。從鎖定放大器問世以來，由于其在微弱信號(hào)檢測(cè)方面的優(yōu)越性能，在科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。l65l鎖定放大器有三個(gè)特點(diǎn)：用調(diào)制器將直流或漸變信號(hào)調(diào)制，進(jìn)行交流放大，可以避免噪聲的不利影響；利用相敏檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，同時(shí)檢測(cè)頻率和相位，噪聲與信號(hào)同頻又同相的概率很??；利用低通濾波器來抑制噪聲，低通濾波器的頻帶可以做的較窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也大大地提高。 66l設(shè)輸入信號(hào)為：l

22、根據(jù)傅立葉變換，r(t)可用三角函數(shù)的形式表示。l 0( )cos()x tVt1014( 1)( )cos(21)21nnr tntn67檢相器是一個(gè)相位比較裝置，它把輸人信號(hào)檢相器是一個(gè)相位比較裝置，它把輸人信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的相位完和參考信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的相位完全相同時(shí)，經(jīng)低通濾波器后，輸出信號(hào)的直全相同時(shí)，經(jīng)低通濾波器后，輸出信號(hào)的直流分量達(dá)到最大。流分量達(dá)到最大。6869l相敏檢測(cè)器是鎖定放大器的核心部件，它實(shí)現(xiàn)了被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算。相敏檢測(cè)器有模擬乘法器式和電子開關(guān)式，其中電子開關(guān)式相敏檢測(cè)器由于受到參考信號(hào)幅度波動(dòng)的影響較小，所以得到更廣泛的應(yīng)

23、用。l電子開關(guān)式相敏檢測(cè)器的輸出等效為被測(cè)信號(hào)與幅度為1、占空比為50的方波信號(hào)r(t)的乘積。70lr(t)與 相乘的結(jié)果為：l式右邊的第一項(xiàng)為差頻項(xiàng)，第二項(xiàng)為和頻項(xiàng)。經(jīng)過低通濾波器（LPF），所有的和頻項(xiàng)與的差頻項(xiàng)都被慮除，最后濾波器的輸出為： ( )x t1001( )( )( )4( 1)cos()cos(21)21pnnutx tr tVtntn1100112( 1)2( 1)cos(22)cos22121nnnnVVntntnn71l說明被測(cè)信號(hào)通過相敏檢測(cè)器(PSD)和低通濾波器(LPF)后，輸出正比于被測(cè)信號(hào)的幅度、同時(shí)正比于參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的相位差的余弦函數(shù)，此時(shí)，輸出最大

24、，從而實(shí)現(xiàn)鑒幅和鑒相。 2( )cos( )oVu t7273鎖定放大器的輸出鎖定放大器的輸出Vo=Vi cos是檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位角74參考信號(hào)的要求l從以上特點(diǎn)可知，參考信號(hào)一定要有被測(cè)信號(hào)中某個(gè)特定成分。參考信號(hào)源同時(shí)驅(qū)動(dòng)被測(cè)設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室常用這種方法。從被測(cè)信號(hào)中提取同步信號(hào)，再轉(zhuǎn)為本地的參考信號(hào)。在無線通訊中只能 用這種方法，如電視。75相對(duì)振幅fR3fR5fR頻率 傳輸窗口（參考信號(hào)：方波）傳輸窗口（參考信號(hào)：方波）76 偶次分量的測(cè)量偶次分量的測(cè)量l利用鎖相環(huán)產(chǎn)生兩倍頻的參考信號(hào)方波只有奇次諧波，但如燈泡的光的頻率是驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的兩倍。用鎖相環(huán)產(chǎn)生倍頻。77乘法器的工作過程

25、乘法器的工作過程V+ +- -接差動(dòng)積分器信號(hào)地參考信號(hào)被測(cè)信號(hào)78積分器工作過程積分器工作過程低通濾波器及特性f100%79內(nèi)外前置被測(cè)信號(hào)濾波器主放靈敏度乘法器T積分器DC放大輸出參考信號(hào)方波產(chǎn)生內(nèi)部振蕩相位80=902 VsV0t測(cè) 量信 號(hào)參 考 信 號(hào)V10t+2 VsV0t輸出經(jīng)低通 后 的 輸出(平均 電 壓 )(a)=0oV0t輸出V0tV0tV0tV0tV0tV0t 0tt0VV平均 電壓平均 電壓平均 電壓(b)=180o(c)o任意 相 位(d)81鎖定放大器的改進(jìn)鎖定放大器的改進(jìn)l矢量型：兩個(gè)正交的參考信號(hào)矢量型：兩個(gè)正交的參考信號(hào)V (t)RV (t)S低通V (t)

26、PV (t)OV (t)RV (t)S低通V (t)PV (t)OVR(t)VO(t) VS(t)82鎖定放大器的改進(jìn)鎖定放大器的改進(jìn)l正弦化型：參考信號(hào)正弦化，消除多窗正弦化型：參考信號(hào)正弦化，消除多窗口口多基矢f3f5f83鎖定放大器的改進(jìn)鎖定放大器的改進(jìn)f正弦化84 適合于鎖相放大器檢測(cè)的信號(hào)應(yīng)該適合于鎖相放大器檢測(cè)的信號(hào)應(yīng)該是單頻率的，或者說傳導(dǎo)頻譜所占寬是單頻率的，或者說傳導(dǎo)頻譜所占寬度是較窄的，也就是要求信號(hào)所攜帶度是較窄的，也就是要求信號(hào)所攜帶的檢測(cè)量的檢測(cè)量(信息信息)的變化是很緩慢的，的變化是很緩慢的，否則檢出的信息就會(huì)因丟失高額分量否則檢出的信息就會(huì)因丟失高額分量而畸變。而畸變。85l通道A和B屬高精度、高速集成運(yùn)放，其中l(wèi)開環(huán)電壓增益Avd100dB，l輸入失調(diào)電壓VOS100V，l輸入失調(diào)電流IOS10nA，l輸入偏置電流IIB100nA，l共模抑制比KCMR110dB，l電源電壓抑制比KSVR100dB，l轉(zhuǎn)換速率SR45V/s，l開環(huán)帶寬積