第三部分 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 第四章 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用4.1 鎖定放大概述鎖定放大概述4.2 相敏檢測(cè)相敏檢測(cè)4.3 鎖定放大器的組成與部件鎖定放大器的組成與部件4.4 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)4.5 鎖定放大應(yīng)用鎖定放大應(yīng)用 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.1 鎖定放大概述 設(shè)混有噪聲的正弦調(diào)制信號(hào)為設(shè)混有噪聲的正弦調(diào)制信號(hào)為: :)()cos()()()(0tntVtntstxs 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.1 鎖定放大概述 鎖定放大器鎖定放大器(lock-in amplifier, LIA)自問(wèn)世以來(lái)自問(wèn)世以來(lái),在在微弱信號(hào)檢測(cè)方面顯示出優(yōu)秀的性能微弱信號(hào)檢測(cè)方面顯示出優(yōu)秀的性

2、能,在科學(xué)研究的各在科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用. 設(shè)混有噪聲的正弦調(diào)制信號(hào)為設(shè)混有噪聲的正弦調(diào)制信號(hào)為:)()cos()()()(0tntVtntstxs (1) (1) Q值非常高的帶通濾波器在實(shí)際中往往值非常高的帶通濾波器在實(shí)際中往往很難實(shí)現(xiàn)很難實(shí)現(xiàn). (2) Q值高的值高的BPF往往往往不穩(wěn)定不穩(wěn)定，溫度、電源電壓的波，溫度、電源電壓的波動(dòng)均會(huì)使濾波器的中心頻率發(fā)生變化動(dòng)均會(huì)使濾波器的中心頻率發(fā)生變化,從而導(dǎo)致其通從而導(dǎo)致其通頻帶不能覆蓋信號(hào)頻率頻帶不能覆蓋信號(hào)頻率,使得測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法可靠地進(jìn)使得測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法可靠地進(jìn)行測(cè)量行測(cè)量. 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.

3、1 鎖定放大概述 鎖定放大器抑制噪聲有鎖定放大器抑制噪聲有3個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)個(gè)基本出發(fā)點(diǎn): (1) 用用調(diào)制器調(diào)制器將直流或慢變信號(hào)的頻譜遷移到調(diào)制頻將直流或慢變信號(hào)的頻譜遷移到調(diào)制頻率率 處處,再進(jìn)行放大再進(jìn)行放大,以避開(kāi)以避開(kāi)1/f噪聲噪聲的不利影響的不利影響.0 (2) 利用利用相敏檢測(cè)器相敏檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程,可以同可以同時(shí)利用頻率和相角進(jìn)行檢測(cè)時(shí)利用頻率和相角進(jìn)行檢測(cè),噪聲與信號(hào)同頻又同相噪聲與信號(hào)同頻又同相的概率很低的概率很低. (3) 用用低通濾波器低通濾波器而不是用帶通濾波器來(lái)抑制寬帶噪而不是用帶通濾波器來(lái)抑制寬帶噪聲聲.LPF的頻帶可以做得很窄的頻

4、帶可以做得很窄,而且其頻帶寬度不受調(diào)而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響制頻率的影響,穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于BPF. 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.1 .1 鎖定放大器中的頻譜遷移 (1) 鎖定放大器繼承了鎖定放大器繼承了調(diào)制放大器調(diào)制放大器使用交流放大使用交流放大,而不使而不使用直流放大的原理用直流放大的原理,從而避開(kāi)了幅度較大的從而避開(kāi)了幅度較大的1/f噪聲噪聲; (2) 同時(shí)又用同時(shí)又用相敏檢測(cè)器相敏檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)解調(diào)實(shí)現(xiàn)解調(diào),用穩(wěn)定性更高的用穩(wěn)定性更高的低通低通濾波器濾波器實(shí)現(xiàn)窄帶化過(guò)程實(shí)現(xiàn)窄帶化過(guò)程,從而使檢測(cè)系統(tǒng)的性能大為改從而使檢測(cè)系統(tǒng)的性能大為改善善. 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

5、4.1 .2 鎖定放大器中的工作原理 (1) 信號(hào)通道信號(hào)通道對(duì)調(diào)制正弦信號(hào)輸入進(jìn)行交流放大對(duì)調(diào)制正弦信號(hào)輸入進(jìn)行交流放大,將微將微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相敏檢測(cè)器工作的電平弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相敏檢測(cè)器工作的電平,并且要并且要濾除部分干擾和噪聲濾除部分干擾和噪聲,以提高相敏檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍以提高相敏檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍. (2) 參考通道參考通道對(duì)參考輸入進(jìn)行放大或衰減對(duì)參考輸入進(jìn)行放大或衰減,以適應(yīng)相敏以適應(yīng)相敏檢測(cè)器對(duì)幅度的要求檢測(cè)器對(duì)幅度的要求. (3) PSD實(shí)現(xiàn)頻譜遷移過(guò)程實(shí)現(xiàn)頻譜遷移過(guò)程. 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.2 相敏檢測(cè) 相敏檢測(cè)器是鎖定放大器的核心部件相敏檢測(cè)器是鎖定放大器的核

6、心部件,它它既鑒幅既鑒幅,又鑒相又鑒相,其輸出不但取決于輸入信號(hào)的幅度其輸出不但取決于輸入信號(hào)的幅度,而且而且取決于輸入信號(hào)與參考信號(hào)的相位差取決于輸入信號(hào)與參考信號(hào)的相位差. (1)模擬乘法器型相敏檢測(cè)器模擬乘法器型相敏檢測(cè)器 (2)電子開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器電子開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.2.1 模擬乘法器型相敏檢測(cè)器 (1) x(t)與與r(t)均為正弦波均為正弦波 (2) x(t) 為正弦波為正弦波,r(t)為方波為方波 (3) x(t) 為正弦波含單頻噪聲為正弦波含單頻噪聲,r(t)為正弦波為正弦波 (4) x(t) 為正弦波含窄帶噪聲為正弦波含窄帶噪聲,r(t)為正弦波

7、為正弦波 (5) x(t) 為正弦波含噪聲為正弦波含噪聲,r(t)為方波為方波 (6) x(t)與與r(t)均為方波均為方波p( )( )( )u tx tr t 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (1) x(t)與r(t)均為正弦波00p0o( )cos()( )cos()( )( )( )0.5cos0.5cos(2)( )( )( )0.5cossrsrsrsrx tVtr tVtu tx tr tVVVVtu tx tr tVV 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 幅頻特性和相頻特性0p0o2( )cos()( )cos()( )( )( )0.5cos()0.5cos()0.5( )cos()1 ()ss

8、rsrsrssrx tVtr tVtu tx tr tVVtVVttVVu ttRC 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 等效噪聲帶寬ee112(Hz)42(rad/s)BRCRCBRC一階一階RC低通濾波器的低通濾波器的等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬為：為：1/(4RC)相敏檢測(cè)器的等效噪聲帶寬為其兩倍相敏檢測(cè)器的等效噪聲帶寬為其兩倍, 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (2) x(t) 為正弦波,r(t)為方波 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (3) x(t) 為正弦波含單頻噪聲,r(t)為正弦波00p000( )cos()cos()( )cos( )( )( )0.5cos0.5cos(2)0.5cos()0.5cos()

9、snnssnnnnx tVtVtr ttu tx tr tVVtVtVt 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (4) x(t) 為正弦波含窄帶噪聲,r(t)為正弦波tVtrttnttntntntVtxrnsncs00cos)(sin)(cos)()()()cos()(窄帶噪聲及其正交分量的功率譜密度函數(shù)窄帶噪聲及其正交分量的功率譜密度函數(shù) 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (4) x(t) 為正弦波含窄帶噪聲,r(t)為正弦波tVtrttnttntntntVtxrnsncs00cos)(sin)(cos)()()()cos()( 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 x(t)為正弦波含窄帶噪聲情況下的信噪改善比OiIe2SNRB

10、SNIRSNRB Bi為相敏檢波器前的為相敏檢波器前的選頻放大器選頻放大器的帶寬的帶寬,也是輸入到也是輸入到相敏檢測(cè)器的窄帶噪聲的帶寬相敏檢測(cè)器的窄帶噪聲的帶寬.Be為相敏檢測(cè)器的為相敏檢測(cè)器的等等效噪聲帶寬效噪聲帶寬. (1) Be可做到很窄可做到很窄, Bi不可能太窄不可能太窄,從而使得相敏檢測(cè)從而使得相敏檢測(cè)器的信噪改善比較大器的信噪改善比較大,具有很好的抑制噪聲作用具有很好的抑制噪聲作用. (2)即使即使Be =Bi,相敏檢測(cè)器的相敏特性也對(duì)不同相位相敏檢測(cè)器的相敏特性也對(duì)不同相位的噪聲具有一定的抑制作用的噪聲具有一定的抑制作用,噪聲和信號(hào)同頻又同相噪聲和信號(hào)同頻又同相的概率很低的概率

11、很低. 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 x(t)為正弦波含窄帶噪聲情況下的信噪改善比OiIe2SNRBSNIRSNRB (3) 上式表明上式表明,只要只要 ,就可以得到很大的信噪就可以得到很大的信噪改善比改善比.實(shí)際應(yīng)用中實(shí)際應(yīng)用中,模擬乘法器有可能進(jìn)入其非模擬乘法器有可能進(jìn)入其非線性區(qū)線性區(qū),稱之為稱之為PSD過(guò)載過(guò)載,這時(shí)輸出信噪比會(huì)迅速這時(shí)輸出信噪比會(huì)迅速惡化惡化. (4)太大的時(shí)間常數(shù)必然使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢太大的時(shí)間常數(shù)必然使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢,而且對(duì)被測(cè)信號(hào)的高頻成份衰減較大而且對(duì)被測(cè)信號(hào)的高頻成份衰減較大.eiBB 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (5) x(t) 為正弦波含噪聲,r(t)為方波

12、 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 方波為參考信號(hào)的相敏檢測(cè)器的諧波響應(yīng) 消除諧波響應(yīng)不利影響的最常用方法消除諧波響應(yīng)不利影響的最常用方法,是在是在信號(hào)通道中加入中心頻率為信號(hào)通道中加入中心頻率為 的帶通濾波器的帶通濾波器,利利用其窄帶濾波作用濾除各高次諧波處的噪聲用其窄帶濾波作用濾除各高次諧波處的噪聲.0 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (6) x(t) 和r(t)都為方波o(1 2 /),0( )(2 / 3),2srsrVVuVV 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.2.2 電子開(kāi)關(guān)型相敏檢測(cè)器 模擬乘法器型相敏檢測(cè)器的缺點(diǎn)模擬乘法器型相敏檢測(cè)器的缺點(diǎn): (1) 為了保證輸出信號(hào)具有一定的精度為了保證輸出信號(hào)具有

13、一定的精度,必須保證參必須保證參考信號(hào)的幅度保持更高級(jí)的精度考信號(hào)的幅度保持更高級(jí)的精度,這在實(shí)際實(shí)現(xiàn)這在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可能有一定的困難時(shí)可能有一定的困難; (2) 有的模擬乘法器器件還存在一定的非線性有的模擬乘法器器件還存在一定的非線性,會(huì)會(huì)導(dǎo)致大的輸出誤差導(dǎo)致大的輸出誤差. 因此因此,目前定型的鎖定放大器商業(yè)產(chǎn)品均采用開(kāi)關(guān)式目前定型的鎖定放大器商業(yè)產(chǎn)品均采用開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器相敏檢測(cè)器. 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.2.2 電子開(kāi)關(guān)型相敏檢測(cè)器 開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn):(1)輸出幅度不受參考輸入信號(hào)幅度的影響輸出幅度不受參考輸入信號(hào)幅度的影響,而且沒(méi)而且沒(méi)有非線性的問(wèn)題有非

14、線性的問(wèn)題,動(dòng)態(tài)范圍大動(dòng)態(tài)范圍大,抗過(guò)載能力強(qiáng)抗過(guò)載能力強(qiáng);(2) 電路簡(jiǎn)單電路簡(jiǎn)單,運(yùn)行速度快運(yùn)行速度快,有利于降低成本和提高系有利于降低成本和提高系統(tǒng)的工作速度統(tǒng)的工作速度. 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (1) 變壓器式電子開(kāi)關(guān)相敏檢測(cè)器a. 要注意要注意變壓器特性（頻率特性、分布參數(shù)特性）變壓器特性（頻率特性、分布參數(shù)特性）對(duì)相敏檢測(cè)器輸出的影響；對(duì)相敏檢測(cè)器輸出的影響；b. 要要采用高質(zhì)量、低損耗的鐵芯材料；采用高質(zhì)量、低損耗的鐵芯材料；c. 要要采取必要的屏蔽措施。采取必要的屏蔽措施。 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (2) 運(yùn)放式電子開(kāi)關(guān)相敏檢測(cè)器a. 要注意要注意電子開(kāi)關(guān)速度對(duì)工作頻率的限制

15、，以及電子電子開(kāi)關(guān)速度對(duì)工作頻率的限制，以及電子開(kāi)關(guān)注入電荷的不利影響；開(kāi)關(guān)注入電荷的不利影響；b. 要要注意運(yùn)放的工作速度、失調(diào)電壓對(duì)輸出的影響；注意運(yùn)放的工作速度、失調(diào)電壓對(duì)輸出的影響；c. 要要確保反相和正相放大器的放大倍數(shù)相同，動(dòng)態(tài)特確保反相和正相放大器的放大倍數(shù)相同，動(dòng)態(tài)特性相似；性相似；d. 電子開(kāi)關(guān)電子開(kāi)關(guān)K的控制端波形的控制端波形必須是嚴(yán)格的方波必須是嚴(yán)格的方波。 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (3) 電子開(kāi)關(guān)相敏檢測(cè)器的鑒相特性o2( )cossVu t 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (4) 開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器與全波整流的不同被測(cè)慢變信號(hào)放大了的調(diào)制信號(hào)解調(diào)輸出信號(hào)全波整流輸出波形 鎖定放

16、大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.3 鎖定放大器的組成與部件 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (1) 信號(hào)通道 信號(hào)通道信號(hào)通道對(duì)輸入的幅度調(diào)制正弦信號(hào)進(jìn)行交流放對(duì)輸入的幅度調(diào)制正弦信號(hào)進(jìn)行交流放大、濾波等處理大、濾波等處理.(1) 前置放大器前置放大器必須具備低噪聲必須具備低噪聲,高增益的特點(diǎn)高增益的特點(diǎn),而且而且動(dòng)態(tài)范圍要大動(dòng)態(tài)范圍要大;(2) 需要設(shè)計(jì)和制作針對(duì)不同傳感器的需要設(shè)計(jì)和制作針對(duì)不同傳感器的前置放大器前置放大器;(3) 帶通濾波器帶通濾波器的設(shè)計(jì)；的設(shè)計(jì)；(4) 放大器的放大器的增益可調(diào)增益可調(diào)。 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (2) 參考通道 參考通道參考通道的功能是為相敏檢測(cè)器提供與被測(cè)信號(hào)的功能

17、是為相敏檢測(cè)器提供與被測(cè)信號(hào)相干的控制信號(hào)相干的控制信號(hào).(1) 參考通道輸入端一般都包括放大或衰減電路參考通道輸入端一般都包括放大或衰減電路,以以適應(yīng)各種幅度的參考輸入適應(yīng)各種幅度的參考輸入;(2) 參考通道的輸出可以是正弦波參考通道的輸出可以是正弦波,也可以是方波也可以是方波.為為了防止了防止r(t)的幅度漂移影響鎖定放大器的輸出精的幅度漂移影響鎖定放大器的輸出精度度,最好采用方波開(kāi)關(guān)信號(hào)最好采用方波開(kāi)關(guān)信號(hào),用電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)相敏用電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)相敏檢測(cè)檢測(cè);(3) 移相電路的設(shè)計(jì)移相電路的設(shè)計(jì),用用模擬門積分比較器模擬門積分比較器或或鎖相環(huán)鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。來(lái)實(shí)現(xiàn)。 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 (3

18、) 低通濾波器 鎖定放大器改善信噪比的作用主要由低通濾波器鎖定放大器改善信噪比的作用主要由低通濾波器實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn).(1) LPF的時(shí)間常數(shù)越大的時(shí)間常數(shù)越大,LIA的通頻帶寬度越窄的通頻帶寬度越窄,抑抑制噪聲的能力越強(qiáng)制噪聲的能力越強(qiáng);(2) 直流放大器的輸入失調(diào)電壓要小直流放大器的輸入失調(diào)電壓要小,溫度漂移和時(shí)溫度漂移和時(shí)間漂移也要小間漂移也要小.LPF的拐點(diǎn)頻率做成可調(diào)的的拐點(diǎn)頻率做成可調(diào)的,以適以適應(yīng)不同的被測(cè)信號(hào)頻率特性的需要應(yīng)不同的被測(cè)信號(hào)頻率特性的需要;(3) LIA的各部分電路必須采取必要的屏蔽和接地措的各部分電路必須采取必要的屏蔽和接地措施施. 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 鎖定放大電路

19、設(shè)計(jì)與應(yīng)用 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.3.1 正交矢量型鎖定放大器 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.3.2 外差式鎖定放大器 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.3.3 微機(jī)化數(shù)字式相敏檢測(cè)器 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): (1)數(shù)字式濾波器的等效噪聲帶寬可以做到非常窄數(shù)字式濾波器的等效噪聲帶寬可以做到非常窄,為檢測(cè)更微弱的信號(hào)提供了可能為檢測(cè)更微弱的信號(hào)提供了可能; (2)為測(cè)量低頻信號(hào)提供了可能為測(cè)量低頻信號(hào)提供了可能; (3)具有很高的線性度具有很高的線性度; (4)具有很好的靈活性具有很好的靈活性. 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.3.3 微機(jī)化數(shù)字式相敏檢測(cè)器 鎖定放

20、大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào) (1)滿刻度輸出時(shí)的輸入電平滿刻度輸出時(shí)的輸入電平FS(2)過(guò)載電平過(guò)載電平OVL (3)最小可測(cè)信號(hào)最小可測(cè)信號(hào)MDS (4)輸入總動(dòng)態(tài)范圍輸入總動(dòng)態(tài)范圍(5)輸出動(dòng)態(tài)范圍輸出動(dòng)態(tài)范圍(6)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備 4.5.1 主要性能指標(biāo) 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào) (1)滿刻度輸出時(shí)的輸入電平滿刻度輸出時(shí)的輸入電平FS 滿刻度輸出時(shí)的輸入電平滿刻度輸出時(shí)的輸入電平FS表征了鎖定放大表征了鎖定放大器的測(cè)量靈敏度器的測(cè)量靈敏度,它取決于系統(tǒng)的總增益它取決于系統(tǒng)的總增益.例如例如,如如果系統(tǒng)的總增益為果系統(tǒng)的總增益為108,滿刻度輸

21、出為滿刻度輸出為10V,則其則其FS輸入電平為輸入電平為0.1uV,FS為為允許信號(hào)峰值允許信號(hào)峰值. 4.5.1 主要性能指標(biāo) 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào) (2) 過(guò)載電平過(guò)載電平OVL 定義為使定義為使LIA任何一級(jí)出現(xiàn)臨界過(guò)載的任何一級(jí)出現(xiàn)臨界過(guò)載的輸入輸入信號(hào)電平信號(hào)電平.當(dāng)輸入信號(hào)或噪聲的幅值超過(guò)過(guò)載電當(dāng)輸入信號(hào)或噪聲的幅值超過(guò)過(guò)載電平時(shí)平時(shí),系統(tǒng)將引起非線性失真系統(tǒng)將引起非線性失真.過(guò)載電平為允許的過(guò)載電平為允許的輸入噪聲最大峰值輸入噪聲最大峰值. 4.5.1 主要性能指標(biāo) 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)(3) 最小可測(cè)信號(hào)最小可測(cè)信號(hào)M

22、DS 定義定義為能辨別的最小輸入信號(hào)為能辨別的最小輸入信號(hào),是測(cè)量值的下是測(cè)量值的下限限.MDS主要取決于系統(tǒng)漂移主要取決于系統(tǒng)漂移,輸出端的漂移量折輸出端的漂移量折合到輸入端即為合到輸入端即為MDS.4.5.1 主要性能指標(biāo) 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)(4) 輸入總動(dòng)態(tài)范圍輸入總動(dòng)態(tài)范圍 4.5.1 主要性能指標(biāo)MDSOVLlg20(5) 輸出動(dòng)態(tài)范圍輸出動(dòng)態(tài)范圍MDSFSlg20(6) 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備FSOVLlg20 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)輸入總動(dòng)態(tài)范圍輸入總動(dòng)態(tài)范圍=輸出動(dòng)態(tài)范圍輸出動(dòng)態(tài)范圍+動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備 4.5.1 主要性能指

23、標(biāo) 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 61V101VA 2.5mV2.5nVMDSA0.45mVOVL =20lg52dBFSMDS輸出動(dòng)態(tài)范圍=20lg105dBOVLMDS輸入動(dòng)態(tài)范圍=20lg53dBOVLFS動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào) 4.5.2 動(dòng)態(tài)范圍與頻率的關(guān)系 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)4.5.3 動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào) 動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)：動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)：直流增益和交流增益如何分配的問(wèn)題直流增益和交流增益如何分配的問(wèn)題 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)(1)高穩(wěn)定工作狀態(tài)下高穩(wěn)定工作狀態(tài)下,被測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍被測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大較大,但是

24、噪聲很容易使但是噪聲很容易使PSD過(guò)載過(guò)載,適用于適用于輸入信噪比比較高的情況輸入信噪比比較高的情況.(2) 高儲(chǔ)備狀態(tài)下高儲(chǔ)備狀態(tài)下,LIA 中的中的PSD不易過(guò)載不易過(guò)載,鎖鎖定放大器具有良好的抵御噪聲能力定放大器具有良好的抵御噪聲能力,但是但是被測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較小被測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較小. 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)(a)、(b)的滿量程都是的滿量程都是10mV，不過(guò)由于增益的分配不同，所，不過(guò)由于增益的分配不同，所以輸入噪聲限幅電平在以輸入噪聲限幅電平在(a)中為中為20VP-P，在，在(b)中為中為2VP-P 。所。所以以(a)的的DR=66dB，(b)的的D

25、R=46dB。 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)例例1：鎖定放大器的動(dòng)態(tài)范圍要多大才好？：鎖定放大器的動(dòng)態(tài)范圍要多大才好？ （1）非常低的）非常低的MDS，大概在，大概在10-4FS數(shù)量級(jí)以下；數(shù)量級(jí)以下； （2）十分高的過(guò)載電平，加帶通放大器使動(dòng)態(tài)儲(chǔ)）十分高的過(guò)載電平，加帶通放大器使動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備達(dá)到備達(dá)到105。 （3）十分寬廣的總動(dòng)態(tài)范圍，達(dá)）十分寬廣的總動(dòng)態(tài)范圍，達(dá)108以上。以上。 （4）在任何給定條件下，都可以控制動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，）在任何給定條件下，都可以控制動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，使測(cè)量最佳化。使測(cè)量最佳化。 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 例例2: 鎖定放大器的參考頻率為鎖定放大器的參考頻率為

26、1kHz，信號(hào)通道無(wú)濾，信號(hào)通道無(wú)濾波器時(shí)，波器時(shí)，OVL=100FS。設(shè)寬帶高斯分布干擾噪聲。設(shè)寬帶高斯分布干擾噪聲的帶寬為的帶寬為40kHz，均方根值為，均方根值為340FS（峰值近似為（峰值近似為3*340FS=1020FS）。在信號(hào)通道中加入。在信號(hào)通道中加入BPF，以，以使該噪聲不至于引起鎖定放大器過(guò)載，試求使該噪聲不至于引起鎖定放大器過(guò)載，試求BPF的的等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬Be.（Be=1.57*f/Q)4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào) 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.5 性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào) 鎖定放大電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4.6 鎖定放大器應(yīng)用在鎖定放大器應(yīng)用中需要考慮下列幾個(gè)問(wèn)題在鎖定放大器應(yīng)用中需要考慮下列幾個(gè)問(wèn)題:(1) LIA的功能相當(dāng)于一種抑制噪聲能力很強(qiáng)的交流電的功能相當(dāng)于一種抑制噪聲能力很強(qiáng)的交流電壓表壓表,輸入是正弦波或方波交流信號(hào)輸入是正弦波或方波交流信號(hào),輸出是輸入波輸出是輸入波形幅值的直流信號(hào)形幅值的直流信號(hào).如果被測(cè)信號(hào)不是交流信號(hào)如果被測(cè)信號(hào)不是交流信號(hào),則則需要用調(diào)制或斬波的方式將其變換成交流信號(hào)需要用調(diào)制或斬波的方式將其變換成交流信號(hào).(2) LIA中