锁定放大器.ppt

第四章光电信号处理 4 1光辐射探测过程的噪声4 2光电探测器的偏置电路4 3光电探测器的放大电路4 4微弱信号检测4 5锁定放大器4 6取样积分器4 7光子计数器 4 5锁定放大器 4 5 1锁定放大器原理4 5 2相关器4 5 3同步积分器4 5 4旋转电容滤波器4 5 5双相锁定放大器 4 5 1锁定放大器原理 一 窄带滤波原理 理想的窄带滤波器 滤波器的带宽可以无限窄 趋近于零 即滤波器的带宽可以做到点频 那么这个滤波器就可以极大地改善信噪比 实际的窄带滤波器 带通滤波器的品质因数q 中心频率f0和带宽 f之比 或 0 q的定义为 0为中心频率 为带宽 品质因数是衡量带通滤波器性能的指标 一般的窄带滤波器其q值达到104已很不容易 中心频率的稳定度要求达到10 6以上也难做到 锁定放大器 q值为108以上 而频率稳定度可以达10 8以 锁定放大器不仅可以滤除带外的噪声和干扰 而且对带内的噪声也有一定的滤除作用 因为锁定放大器利用了信号的相位特征 对于同频且同相的可以顺利通过 对于同频而不同相的 则有一定的衰减作用 对于同频的噪声 也是如此 注意 锁定放大器最终的输出是直流量 这就是说 锁定放大器虽然能把深埋于噪声之中的微弱的交流信号检测出来 但是它不能将微弱信号不失真地放大 它不是一个普通意义 电子技术中 所讲的放大器 实际上它是一个微弱信号检测计 习惯上 称锁定放大器 性能优异的锁定放大器能把幅值小到0 1nv且信噪比小于1 103的周期信号检测出来 并放大到10v 锁定放大器实际上是完成了窄带放大并检波的功能 二 典型锁定放大器的原理 典型的锁定放大器的原理框图如图 典型的锁定放大器主要由三大部分组成 信号通道 参考通道 相关器 1 信号通道从探测器输出的信号或源发出的信号经过被测物体后十分微弱 其信噪比甚至低于1 103 信号被噪声和干扰所淹没首先经过低噪声前置放大器进行放大 然后再通过各类滤波器和陷波器将信号进行初步的预处理 将带外噪声和干扰尽量排除 然后再作进一步的放大 以便送到相关器进行检测 若被检测信号的频率不稳定 频率改变或漂移了 参考信号的频率也必须跟着改变 总是保持着两种信号的频率相等 2 参考通道参考通道的信号是和被检测信号频率相同的周期信号 参考信号必须和被检测信号频率相同 这是进行锁定放大的一个必要条件 因此又称为频域相干检测 参考信号送入参考通道后首先进入触发电路 产生和被检信号同频的方波 再经过移相电路进行移相 然后经过驱动电路功率放大后 再送达相关器去控制相关器的乘法器 相关器是锁定放大器的核心部件 锁定放大器之所以有很强的抑噪能力 主要是靠相关器的消除噪声和干扰 相关器主要是由一个乘法器和一个积分器组成 4 5 2相关器 1 相关器及其性能分析 1 开关型乘法器原理性电路 相敏检波器 phasesensitivedetector 简称psd 是相干检测的心脏 psd实际上是一个乘法器 是相关器的重要组成部分 经常使用的是开关乘法器 典型的相敏检波电路及波形如图 相敏检波器电路 输入输出波形v01为未接c1 c2 v02为接c1 c2的输出 电路分析 信号vs和参考信号vr同频同相正半周时 vr使g3 g2导通 g1 g4截止 信号vs通过g3 r3加到运放同相输入端 输出为正 负半周时 vr使g1 g4导通 而g2 g3截止 信号通过g 1 r1加到运放的反相输入端 输出仍然是正 若不接电容c1 c2 则输出信号波形不平滑 此时为脉冲输出 接上电容c1 c2 则输出信号经积分后波形平滑 且输出为与输入幅度成正比的直流信号 2 特性分析为了分析psd的特性 用简图表示如下 设vr是如图所示的周期矩形方波 根据傅里叶级数展开式 有 此式经过积分后输出 psd的输出v0 由上式可以看出 输出信号中含有信号频率 1与方波基频 2的所有奇次谐波 2n 1 2 n 1 2 产生的和频 差频所组成的大量谐波分量 也就是说 只有在这些谐波分量频率上的噪声才有可能通过 而其它频率的分量则受到了抑制 频率和方波相同的信号就成为直流输出 解释 由于开关以一定的频率开和关 只有和开关动作的频率相同且相位相同的信号才能通过 或者与开动作频率成奇数倍的信号能通过少量的信号 但只剩下奇数倍分之一 偶数倍的完全相互抵消了 2 相关器的数学解 那么乘法器的输出即积分器的输入电压v1 若输出电压为v0 则v1 v0满足微分方程 3 数学解的简化与物理结论 1 输入信号与参考信号频率的基波相等时 为积分器的时间常数 v0与输入信号与参考信号相位差的余弦成正比 r0 r1是近似积分器 或低通滤波器 的直流放大倍数 或直流增益 2 当输入信号为参考信号的偶次谐波时 即相关器能抑制偶次谐波 3 当输入信号为参考信号的奇次谐波时 当n 0时 即为基波的输出 基波的振幅为 2n 1次谐波的振幅为 相关器奇次谐波输出的频率响应 4 若输入信号频率偏离奇次谐波一个微小量 代表奇次谐波与参考信号的相位差 此时 输出信号是一个频率为 的交流信号 幅度含有衰减因子 由上式可画出相关器输出函数的幅频特性图 相关器输出函数的幅频特性图 5 相关器的噪声等效带宽 考虑到相关器在基波和各奇次谐波处的带通特性 可得 r0c0越大 噪声等效带宽越小 抑噪能力越强 获得的信噪比改善越大 4 输入信号为与参考信号同频的方波 以上讨论的是输入信号为正弦波的情况 实际测量中 常常把慢变化或直流信号斩波 使之成为方波信号后再进行测量 这时 为输入信号相对于参考信号的延迟时间 可按同样的方法运算 求解化简得到 为两方波的相位差 由此可见相敏检波器的意义 如图 相关器的输出与相位差的关系 1 输入信号为对称方波时 相关器输出直流电压为信号幅度 vma 乘以积分器的直流放大倍数 r0 r1 且与两方波的相位差 成线性关系 2 当输入信号vma恒定时 相关器成为相敏检波器 即输出幅度和相位成线性关系 4 5 3同步积分器 利用rc积分器实现同步累加原理 称为同步积分器 同步累加原理图 同步积分器的输出端可得到与参考信号同频率的交流方波 这个方波的幅度与输入信号的幅度有关 同步积分器输出的交流方波的幅度与相关器有着完全类似的特性 也可以看作是与参考信号同频率的方波的匹配滤波器 也具有梳状滤波器的性能 因此有很强的抑噪能力 4 5 4旋转电容滤波器 在同步积分器中 使用了两个积分电容 为了使电路更简化可以只用一个积分电容器 但积分电容器的接法要使电容器的两端在输入信号纳正负半周变化时能够同步地翻转 好似电容器在旋转一样 所以称为 旋转电容滤波器 4 5 5双相锁定放大器 双相锁定放大器是一种具有多功能的微弱信号检测仪 它能同时给出被测信号的幅度和相位信息 并且也能给出被测量在直角坐标系中的两个正交分量 所以又称为正交锁定放大器 它具有矢量电压表 锁定放大器 频谱分析仪 动态特性测试仪和噪声测试仪的多种用途 一 双相锁定放大器原理 原理图 参考通道部分有一个频率为f1的方波发生器 输出互成正交 相位差 2 的两路方波 分别对信号通道分成两路后的同相通道和正交通道的信号进行调相 这里的调相实际上是频率为fs的输入待测周期信号和频率为f1 f1 fs 的对称方波相乘 得0 或180 的调相 输入信号 互成正交 相位差 2 的两路方波 参考通道还输出互相正交的两路与被测信号同步的方波 分别与同相通道和正交通道中经调相后的信号相乘 乘法器的输出由用频率为f1的方波作参考信号的同步积分器进行抑噪 同步积分器只对频率为 1以及它的奇次谐波有响应 而对其它频率的响应很小 可以忽略 两同步积分器的输出