第四章鎖相放大器2015

微弱信號(hào)檢測4鎖相放大器4.1概述(為什么引入鎖相放大器,應(yīng)用場合?)首先回憶一下濾波器降噪的基本方法，原理，適用條件。4.1.1特點(diǎn)鎖相放大器相當(dāng)于高Q值帶通濾波器，采用一種特殊的方法，利用低通濾波器代替帶通濾波器，使“實(shí)際的”帶通濾波器的Q值可以提高到1011左右，從而實(shí)現(xiàn)了一種特殊的帶通濾波器，能夠自動(dòng)地將中心頻率跟蹤和保持在測量頻率上。14鎖相放大器4.1概述4.1.2原理

24.2理論基礎(chǔ)

4.2.1相關(guān)檢測原理(1)自相關(guān)檢測3延遲τLPF4鎖相放大器4xi(t)與ni(t)相互獨(dú)立，則互不相關(guān)，因而為零。當(dāng)xi(t)為白噪聲、且τ足夠大時(shí)，Rx(τ)→0。當(dāng)ni(t)為振幅等于1的正弦信號(hào)，4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.1相關(guān)檢測原理(1)自相關(guān)檢測5延遲τLPFxi(t)與ni(t)相互獨(dú)立，則互不相關(guān)，因而為零。4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.1相關(guān)檢測原理(2)互相關(guān)檢測64鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.1相關(guān)檢測原理(3)τ的選擇對(duì)于互相關(guān)檢測，設(shè)被檢測信號(hào)為正弦波當(dāng)取τ=0,Rn(τ)具有最大值。4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(1)乘法器型相敏檢測器PhaseSensitiveDemodulator相位靈敏調(diào)解器／相敏檢測LPF①正弦波信號(hào)、正弦波參考4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器①正弦波信號(hào)、正弦波參考Ⅰ幅頻特性LPF為一階RC低通濾波器幅頻／相頻特性當(dāng)4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器①正弦波信號(hào)、正弦波參考Ⅰ幅頻特性LPF為一階RC低通濾波器Δω＝ω－ω0ω0|H(ω)|ω0.707ω0-ω=1/RC4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器②正弦波信號(hào)、方波參考LPF濾出≥2ω0的交流成分后和頻差頻4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器③正弦波信號(hào)＋單頻等幅噪聲、正弦波參考和頻差頻4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器④正弦波信號(hào)＋窄帶白噪聲、正弦波參考4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器④正弦波信號(hào)＋窄帶白噪聲、正弦波參考主要噪聲項(xiàng)4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器⑤信噪改善(正弦波信號(hào)＋窄帶白噪聲、正弦波參考)輸入噪聲功率輸入信號(hào)功率輸出噪聲功率輸出信號(hào)功率等效噪聲帶寬4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器⑤信噪改善(正弦波信號(hào)＋窄帶白噪聲、正弦波參考)若LPF為一階RC回路（A0＝1）4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(1)乘法器型相敏檢測器⑥正弦波信號(hào)＋窄帶白噪聲、方波參考加入輸入帶通濾波器4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(2)開關(guān)型相敏檢測器(構(gòu)成框圖)(同乘法型PSD間的區(qū)別)變壓器倒相加模擬開關(guān)運(yùn)算放大器倒相加模擬開關(guān)方波參考Vr=1開關(guān)型相敏檢測器的優(yōu)點(diǎn)？？？4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(2)開關(guān)型相敏檢測器(不同相位時(shí)相敏檢波器的波形圖)方波參考Vr=14鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(2)開關(guān)型相敏檢測器(基本器件與電路)①差分輸出放大器(全差動(dòng)型運(yùn)算放大器)②單刀雙擲模擬開關(guān)HC4053三單刀雙擲模擬開關(guān)4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(2)開關(guān)型相敏檢測器(基本器件與電路)③差分輸出放大器＋單刀雙擲模擬開關(guān)組合電路(乘法)方波參考4鎖相放大器4.2理論基礎(chǔ)

4.2.2相關(guān)器構(gòu)成(相敏檢測器PSD)(2)開關(guān)型相敏檢測器(基本器件與電路)④IGFET＋單端輸出集成運(yùn)放組合電路(乘法)方波參考4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.1基本構(gòu)成(1)信號(hào)通道（作用及要求？？？）①交流放大器(低噪前置＋AC放大)②帶通濾波器4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.1基本構(gòu)成(1)信號(hào)通道①交流放大器②帶通濾波器(LPF＋HPF原理圖)4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.1基本構(gòu)成(1)信號(hào)通道①交流放大器②帶通濾波器(LPF＋HPF特性曲線)4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.1基本構(gòu)成(1)信號(hào)通道(2)參考通道(過零單穩(wěn)觸發(fā)Ui＋移相Uo

＋方波形成)移相器4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.1基本構(gòu)成(1)信號(hào)通道移相器及其時(shí)序(2)參考通道Ra>Rb

，則Ib>Ia4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.2正交矢量型鎖相放大器(1)基本原理4鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.2正交矢量型鎖相放大器(2)正交參考信號(hào)的產(chǎn)生(原理圖)可用一片CD40184鎖相放大器4.3鎖定放大器的組成

4.3.2正交矢量型鎖相放大器(2)正交參考信號(hào)的產(chǎn)生(時(shí)序圖)4鎖相放大器4.3鎖相放大器的組成

4.3.3外差式鎖相放大器(1)結(jié)構(gòu)原理特點(diǎn)：帶通濾波器中心頻率fI恒定，特性穩(wěn)定。4鎖相放大器4.3鎖相放大器的組成

4.3.3外差式鎖相放大器

(1)結(jié)構(gòu)原理(2)PLL頻率合成器4鎖相放大器4.3鎖相放大器的組成

4.3.4數(shù)字式鎖相放大器(1)結(jié)構(gòu)原理特點(diǎn)：頻帶寬，采用數(shù)字濾波和軟件數(shù)字相敏檢測適應(yīng)性強(qiáng)。還可以采用純軟件數(shù)字移相器，簡化線路。4鎖相放大器4.3鎖相放大器的組成

4.3.4數(shù)字式鎖相放大器

(1)結(jié)構(gòu)原理(2)軟件數(shù)字相敏檢測(波形)4鎖相放大器4.3旋轉(zhuǎn)電容濾波器在鎖相放大器中的應(yīng)用(略)

4.4.1旋轉(zhuǎn)電容濾波器---開關(guān)電容(1)基本結(jié)構(gòu)4鎖相放大器4.5鎖相放大器的性能指標(biāo)(1)量程FS:滿刻度輸出時(shí)的輸入電平,反映測量靈敏度,同增益有關(guān)(2)過載電平OVL:允許的輸入最大噪音,應(yīng)比FS要大很多;(3)最小可測信號(hào)MDS:輸入能分辨的最小輸入信號(hào),測量值的下限(4)輸入總動(dòng)態(tài)范圍:(5)輸出總動(dòng)態(tài)范圍(6)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備4鎖相放大器4.6鎖相放大器的應(yīng)用：自己查閱相關(guān)的資料，可作為大作業(yè)的一部分內(nèi)容

習(xí)題:1:鎖相放大器的應(yīng)用場合?同調(diào)制放大與解調(diào)之間的區(qū)別?2:鎖相放大器的基本工作原理、構(gòu)成及格組成部分的作用？1:如何測量被噪聲埋沒了的信號(hào)？

在測量各種物理量（溫度、加速度等）時(shí)，用傳感器將其變換成為電信號(hào)，然后輸入到分析儀器（測量儀器）中去。但是，僅想獲得必要的信號(hào)是很難做到的。通常是連不必要的信號(hào)（也就是噪聲）也一起被測量了。在各種情況下，噪聲都有可能混進(jìn)來。噪聲并不僅限于電信號(hào)也有包含在被測量的物理量中的情況。另外，根據(jù)不同場合，也出現(xiàn)噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出所需要的目的信號(hào)電平的情況。想要測量的信號(hào)越微弱，那么噪聲就相對(duì)地越大。

在這里，讓我們來看一下用交流電壓表來測量不同電平的1kHz的正弦波信號(hào)的結(jié)果。

在信號(hào)上疊加了0.1Vrms的白噪聲?！昂练?jì)”是一般的交流電壓表，“鎖相放大器”是一種專門測量微小信號(hào)的（特殊的）交流電壓表。結(jié)論:毫伏計(jì)也同時(shí)測量噪聲。即使用數(shù)字萬用表（DMM）來測量，也會(huì)得到與毫伏計(jì)相同的測量結(jié)果。

但鎖相放大器，能在比目的信號(hào)（1kHz正弦波）強(qiáng)1000倍的噪聲中把目的信號(hào)幾乎準(zhǔn)確無誤地檢測出來。在測量埋沒在噪聲中的信號(hào)時(shí)，使用鎖相放大器最為合適2:為什么鎖相放大器具有那么強(qiáng)的抗噪聲能力？

鎖相放大器不容易受到噪聲影響的原因，是因?yàn)楹芎玫乩昧嗽肼暎ò自肼暎┡c目的信號(hào)（正弦波）之間在性質(zhì)上的差別。

在這里，我們一方面整理白噪聲的性質(zhì)和正弦波的性質(zhì)，一方面解說為什么鎖相放大器會(huì)具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力。白噪聲的性質(zhì)

■平坦的頻譜在寬闊的頻率范圍內(nèi)，該信號(hào)具有幾乎相同的頻譜。信號(hào)的瞬時(shí)電平成為預(yù)測不到的隨機(jī)的值。

即使對(duì)于同樣的噪聲，如果用帶通濾波器（BPF）來限制所通過的頻帶，那么測量所得的電壓值就會(huì)不同?！鲭S著頻帶寬度不同測量電壓會(huì)改變在用毫伏計(jì)測量白噪聲時(shí)，得到的測量值和白噪聲所具有的頻譜帶寬（BandWidth:B.W.）的平方根以及電平成比例。測量得到的電壓值，與下圖中的淺藍(lán)色部分的面積成比例。

把測量所得的噪聲電壓（Vrms），除以頻帶寬度的平方根，就得到用表示噪聲大小的單位、也即稱作噪聲電壓密度（V/√Hz）來衡量的值。頻道寬度如果縮小到1/100，那么測量所得的噪聲電壓就縮小到1/10。

■頻譜非常集中1kHz正弦波信號(hào)的頻譜，只存在于1kHz的位置，其他地方的頻譜的電平都為零。

與頻帶寬度無關(guān)，測量所得電壓保持一定的值。因?yàn)轭l譜是集中分布的，所以不受頻帶寬度的影響，測量所得的電壓保持一定的值。但是，必須要使信號(hào)頻率存在于所取的頻帶之內(nèi)。

用交流電壓表所測量的電壓值，與頻帶寬度無關(guān)，是上圖中的V。

在正弦波上疊加了白噪聲以后會(huì)怎么樣呢??

即使白噪聲與正弦波進(jìn)行加法運(yùn)算所得的信號(hào)，測量所得的電壓對(duì)于頻帶寬度所具有的各種性質(zhì)也不會(huì)有變化。

所以，當(dāng)帶通濾波器的頻帶寬度變狹窄時(shí)，就會(huì)有以下結(jié)果：想要測量的信號(hào)的電平不變；白噪聲的強(qiáng)度減小；交流聲等頻率不同的成分也當(dāng)然被削弱。從以上這些結(jié)果可知，為了測量被噪聲所掩埋的信號(hào)，應(yīng)該將帶通濾波器的頻帶寬度變窄。

如果將頻帶寬度縮小到1/N，那么噪聲就減小到1/√N(yùn)，而信號(hào)卻不改變，其結(jié)果SN比（信噪比）改善為1/√N(yùn)。

但是，這樣的帶通濾波器也是有一個(gè)限度的。

■使通帶變狹窄的限度使用帶通濾波器只讓想要測量的頻率信號(hào)通過，可以抑制噪聲，讓目的信號(hào)浮現(xiàn)出來。

但是，使帶通濾波器的通帶寬度變窄，這也是有限度的。

在帶通濾波器中，中心頻率與通帶寬度的比值稱作Q值，作為衡量帶通濾波器的濾波尖銳程度的一項(xiàng)指標(biāo)來使用。

Q值越大，通帶寬度就越窄，抑制噪聲的能力就越強(qiáng)。但是，一般的濾波器所能夠?qū)崿F(xiàn)的Q值，大約在100左右。對(duì)于1kHz的中心頻率，相應(yīng)的通帶寬度的限界大約在10Hz左右。Q值不能任意增大的原因，在于組成濾波器的零部件的精確度和時(shí)間/溫度的穩(wěn)定性是有限的。把帶通濾波器與鎖相放大器做一個(gè)比較。

Q（中心頻率/通帶寬度）中心頻率帶通濾波器100左右(10Hz—1kHz)固定（不容易改變）鎖相放大器～107左右(0.1mHz-1kHz)追隨測量信號(hào)

鎖相放大器用特殊的方法，使Q提高到約為107（通常的帶通濾波器約為100左右），而且實(shí)現(xiàn)了一種特殊的帶通濾波器，能夠自動(dòng)地將中心頻率跟蹤和保持在測量頻率上。鎖相放大器對(duì)于噪聲的抑制能力，是由上圖中低通濾波器LPF）的截止頻率來確定的。例如，在測量10kHz的信號(hào)時(shí)，如果使用1mHz的低通濾波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的帶通濾波器時(shí)的噪聲抑制能力。如果換算成為Q值，就相當(dāng)于5×106。要想真正制造這樣高的Q值的帶通濾波器，那是不可能的。但是，使用鎖相放大器，這就很容易實(shí)現(xiàn)了。

如同前面所解說的那樣，在使用通頻帶非常狹窄的帶通濾波器（BPF）時(shí)，如果其中心頻率與被測量