双相锁定放大器实验教案.doc

课时安排： 5 学时教学课型： 实验课题目： 双相锁定放大器实验教学目的要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）： 通过实验，让学生达到以下目的：1、了解双相锁定放大器的原理及框图。2、根据典型框图，连接成双相锁定放大器。并测试双相锁定放大器的功能。教学内容（注明：* 重点 # 难点 ？疑点）：一、实验所用仪器：1、ND501型微弱信号综合装置A、B、C、D组合仪各一台 2、HB602型精衰减器一台 3、示波器一台 4、信号线若干条二、实验原理部分：锁定放大器是以相干检测技术为基础，其核心部分是相关器，基本原理框图如图1所示。*图1 锁定放大器基本原理框图图1所示的典型方框图分成三部分：信号通道（相关器前那一部分）。参考通道、相关器（包括直流放大器）。1、信号通道信号通道是相关器前的那一部分、包括低噪声前置放大器，各种功能的有源滤波器，主放大器等部分组成。作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器的动态范围。信号通道要求低噪声和高增益的性能，前置放大器是锁定放大器的第一级，由于被测信号很小，可能是100nv到10nv甚至更小，则要求前置放大器必须具备低噪声的特点。否则将由于放大器本身的噪声将使信号淹没得更深。由于半导体低噪声器件不断改善和对低噪声电路的研究，目前国内外已生产出输入端短路电压为几的前置放大器，目前已研制出输入端短路噪声电压也能达到小于数量级。在测量中对于不同测量要采用不同的传感器，各种传感器的输出阻抗不一样，即对前置放大器而言就呈现出不同的信号源内阻。为了得到最佳噪声性能，必须使前置放大器工作在最佳信号源内阻的条件下。这样必须要设计不同最佳信号源内阻的前置放大器或采用输入变压器匹配，使放大器满足在最佳信号源内阻的条件下工作，使噪声性能最佳。另外，还必须考虑前置放大器具备有足够的放大倍数（100或1000倍），强的共模抑制能力，较大的动态范围等。信号通道中的有源滤波器，有时也称相关器前有源滤波器，这是为了便于和相关器中的低通滤波器不相混淆而取的名称。滤波器要根据干扰和噪声的不同类型可以采用带通、高通、低通、带阻带馅波等不同形式，或几种同时使用。有源滤波器通常也具有放大能力，如果滤波器放大倍数还不够，就要在相关器前再加入交流放大器。2、参考通道互相关接收除了被测信号外，需要有另一个信号（参考信号）送到乘法器中，因此，参考通道是锁定放大器区别于一般仪器，不可缺少的一个组成部分。作用是产生于被测信号同步的参考信号输给相关器。通常锁定放大器的参考通道输出是和信号同步的对称方波，用以去驱动相关器的场效应管开关。参考通道主要是由触发器、相移电路、方波形成电路和驱动级等几部分组成。和信号同步的参考触发信号，可以是仪器内部产生或外部输入。大部分产品由外部输入，输入波形可以是正弦波、方波、三角波、脉冲等各种波形的周期信号。触发电路有时也称过零电路，能把各种波形的参考信号变成一定波形的同步脉冲，去触发下一级电路。触发电路要求有很大的触发电平范围和很宽的工作频率范围，通常触发电平在几十毫伏到几十伏，频率从零点几赫兹到几百千赫兹或更高。相移电路是参考通道的主要部件，它的功能是改变参考通道输出方波的相位，在360内可调。大部分的锁定放大器的相移部分由一个0-100连续可调的相移器，以及相移量能跳变90、180、270的固定相移器组成，从而达到360范围内都能调的任何相移量。对于相移器的相移精度以及相移频率响应都有一定的要求。方波形成电路的作用是把相移器送来的波形变成同步的占空比严格为1：1的方波。（为了抑制偶次谐波必须占空比严格为1：1）。驱动级把方波变成一对相位相反的方波，用以驱动相关器中的场效应管开关，根据开关对驱动电压的要求，驱动级输出一定幅度的方波电压给相关器。3、相关器这是锁定放大器的核心部分，在相关器的实验中已作了详细介绍，要求相关器具有动态范围大，漂移小，时间常数可调，线性良好等性能。在我们了解了相关器的性能和介绍了锁定放大器的基本框图后，可以得到锁定放大器具有下列特点。（a）锁定放大器相当于以fR为中心频率的带通放大器。等效信号带宽由相关器的时间常数决定。用公式表示为： (1)式中为等效带通放大器信号带宽，为相关器的低通滤波器的滤波电阻和电容。(时间常数)（b）锁定放大器的等效噪声带宽由相关器决定，重写如下： （2）由低通滤波器的时间常数决定。为了对锁定放大器的抑制干扰和抑制噪声能力有一个定量的了解。根据实际仪器假设几个数据，求出锁定放大器的信号带宽和噪声带宽。目前国内外的产品，由面板可控制的时间常数，最大值为300秒，即秒，代人（1）和（2）式，求得： （3） （4）这些的数值表明，锁定放大器具有十分窄的信号带宽和噪声带宽。如果工作频率为100kHz，这时，相当的带通放大器的Q值： （5）这样高Q的带通滤波器，是常规带通滤波器所不能达到的。同时，对于锁定放大器，不必担心这样高的Q值，会由于元件的环境温度，工作频率，工作环境的变化带来不稳定。因为相关器只是相当于带通滤波器，而不是一个真正的带通滤波器。如果真的有一个的带通放大器，很可能由于元件，信号源频率等稳定性问题，而使实际系统无法工作。这里的锁定放大器，是采用相关接收的原理，相当于一个“跟踪”滤波器。关键是“跟踪”两字。由于信号和参考信号严格同步，也就不存在频率的稳定性问题。等效Q值是由低通滤波器的时间常数决定。对元件的稳定性要求不高，常规带通放大器的缺点这里不存在。抑制噪声能力怎样？这是关心的问题。大家熟知白噪声电压和噪声带宽平方根成正比。设仪器输入级等效噪声带宽，相关器的输出等效噪声带宽由上述假设的数据为，可以求得电压输出信噪比S0/N0和电压输入信噪比Si/Ni的关系。 （6）表明相关器使电压信噪比提高一万多倍。功率信噪比提供了80分贝以上。这些数据充分表明，采用相关器技术设计的锁定放大器，具有很强的抑制噪声能力。上述只是讨论了基波，如果考虑到用方波作为参考信号的相关器，其他各次谐波的响应，将会发现相关器的传输函数和方波的频谱一样，因此，相关器也是方波的跟踪匹配滤波器，方波的基频是。（c）当时由可知，锁定放大器的输入信号和输出电压V0的关系由下式决定： （7）式中K为锁定放大器的总放大倍数。为信号与参考信号之间的相位差。（7）式表明，锁定放大器的输出为直流电压，并正比于输入信号的幅值和参考信号之间的相位差的余弦的乘积成正比。改变参考信号和待测信号之间的相位差，可以求得输入信号的振幅和相位。锁定放大器（Lock in amplifier）的“锁定”两字，是指仪器有响应的信号频率锁在参考信号频率fR上。参考信号可以是仪器内部产生或由外部输入信号触发。但是，有一点必须指出，锁定放大器和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的简单放大，而是把交流信号变成了直流信号，这实际上并不符合常规放大器的定义。锁定放大器命名为“锁定检测仪”或“同步检测仪”可能更确切一些，或命名“锁定分析器”更好。4、双相锁定放大器已知频率正弦信号的信息包含在振幅和相位中。用锁定放大器测量正弦信号，它的输出直流电压由下式决定： （8）式中K为锁定放大器的总放大倍数，为信号与参考信号之间的相位差。（8）式表明，锁定放大器的输出为直流电压，并正比于输入信号的幅值和与参考信号之间的相位差的余弦的乘积成正比。改变参考信号与待测信号之间的相位差，可以求得待测信号的振幅和相位。（8）式包含了被测正弦信号的全部信息，通过相位控制能静态地测量被测信号的振幅和相位。但不能同时进行振幅和相位的动态测量。为了能动态地测量振幅和相位，上世纪七十年代后半期，出现了双相锁定放大器（或称锁定分析器）。若锁定放大器有两个完全相同的相关器，分别由两个相互成正交（相位差）的参考信号与被测信号相乘，则两个相关器的输出电压分别用Vx、Vy来表示。 （9）式中Vx、Vy分别是用直角坐标表示的X轴分量（或称同相分量）与Y轴分量（或称正交分量）。用直角坐标分量到极坐标分量的变换电路（或称矢量/相位变换电路），可以得到极坐标分量，表示式如下：* （10）式中VA，分别为被测信号的振幅和相位。双相锁定放大器的原理框图如图1一2所示。这种仪器能同时指示被测信号用直角坐标表示的Vx，Vy分量。或用极坐标表示的振幅和相位，能直观动态地测量幅值和相位，改变并不引起VA的变化，VA的输出不是相敏的。因此，双相锁定放大器具有多种功能。能作下列仪器使用：（1）锁定放大器 （2）矢量电压表（3）频谱分析仪 （4）动态特性测试仪（5）噪声测试仪由于它极大地扩大了锁定放大器的功能。因此，也称锁定分析器。乘法器低通与DC放大乘法器RR+正交输出相位输出幅值输出Vx,VyVA,变换电路同相输出正交相关器低通与DC放大同相相关器fR参考输入参考通道信号输入 K AC放大与滤波图2 双相锁定放大器框图三、实验内容（a）ND501型微弱信号检测技术实验综合装置B组合。相关器实验盒2个宽带相移器实验盒1个选频放大器实验盒1个前置放大器实验盒1个多功能信号源实验盒1个相位计实验盒1个交流，直流，噪声电压表实验盒1个Vx，VyVA，变换实验盒1个频率计实验盒1个电源机箱4个（b）ND601或HB602型精衰减器1个（c）双踪通用示波器1个相位计信号输入参考输入相关器(同相)信号输入 PSD输出参考输入 输出选频放大器输入 输出相移器输入 同相 正交相关器(正交)信号输入 PSD输出参考输入 输出衰减器输出 输入1输入2Vx,VyVA,V电路Vx VAVy V前置放大器输入 输出示波器Y1Y2多功能信号源正弦输出交、直流噪声电压表输入频率计输入图4 双相锁定放大器及测试框图双相锁定放大器及测试框图如图4所示。图中虚线所框部分，低噪声前置放大器，选频放大器，相关器（同相），相关器（正交），Vx，Vy，VA，交换电路，多功能信号源，宽带相移器七部分，组成一个完整的双相锁定放大器，其它部分为测试部分。按图4用电缆连接，接通电源，预热二分钟。调节多功能信号源，输出正弦波，频率1KHZ左右，电压100mV。调节ND602型精密衰减器，使衰减10000倍，输出电压为10V。输给前置放大器。前置放大器“增益”开关置100，“接地”“浮地”开关置“浮地”，“测量”“短路”开关置“测量”。选频放大器的“增益”开关置10，Q值置“3”，选频频率调到“1KHZ”。两相关器的“交流放大倍数”均置10，“直流放大倍数”均置10，“时间常数”均置1S。首先用示波器从任一相关器的“加法器输出”观察信号通道放大后的信号波形，为正弦波。调节选频放大器的选频频率，细调0.1和0.01档的波形开关和电位器，使示波器上观察到的波形幅度最大。然后，改Q值为“30”，重复调节选频频率，使输出信号幅度最大，则选频放大器的选频中心频率为信号频率。用相位计测量宽带相移的“同相”和“正交”两输出方波的相位差为90（可能有些误差）。改变示波器两探头分别测量同相相关器和正交相关器的PSD输出波形，调节宽带相移的相移，使同相相关器的输入信号与参考信号同相，正交相关器的输入信号与参考信号相差90，波形如图四所示。此时，用直角坐标极坐标变换电路实验盒上的电压表，测量Vx的输出直流电压为最大（1伏左右），Vy的输出直流电压为零。改变宽带相移器相移90，则有Vx=0，Vy为最大。两相关器PSD输出波形也发生相应变化。(b)(a)ttVyVx图5 相关器PSD输出波形（a）同相相关器的输出波形（b）正交相关器的输出波形为了进一步了解双相锁定放大器的功能，作如下测量，用Vx，Vy ， VA，变换电路实验盒上的电压表测量Vx、Vy、VA、。改变宽相移器的相位，测出不同相位时的Vx、Vy、VA、V值，按照下表记录并进行计算。V的电压对应为10mV/度。例如输出电压为1.100V，对的相位=110度。测量值计算值（相位角在-180180之间测量）比较测量VA、V和计算的VA、，并讨论误差。（注意：计算时，要考虑“正”“负”号和“象限”。）VA值相对于来讲，不是相敏的。也可以与相关器实验，单相锁定放大器的实验一样，测量双相锁定放大器的抗干扰能力，抑制的噪声能力，最大不相干信号过载电平等实验。四、实验数据处理(见预实验处理部分，附在后面)【注意事项】1、正式测量前要进行工作电路的调整。2、两相关器PSD输出波形要与图5相类似才说明电路连接正确。教学方式、手段、媒介：实验讲义和板书。板书设计：如图1l所示，输入乘法器的两路信号中，e1(t)为被检测信号，是VA(t)与背景信号Vn(t)的叠加，e2(t)为在接收设备中设法产生的与被检测信号VA(t)同步的参考信号VB(t)。将参考信号与杂有噪声的输入信号进行相关，得到被测信号的相关函数，就代表了被测信号。 由于噪声Vn(t)与参考信号VB(t)的相关性，RNB()=0，因此有 锁定放大器原理图：图1 锁定放大器基本原理框图双相锁定放大器原理图：参考通道乘法器低通与DC放大乘法器RR+正交输出相位输出幅值输出Vx,VyVA,变换电路同相输出正交相关器低通与DC放大同相相关器fR参考输入信号输入 K AC放大与滤波图2 双相锁定放大器框图讨论、思考题、作业：完整地实验报告做一份参考书目：1黄志高近代物理实验.福州:福建教育出版社，2001年2吴思诚，王祖铨近代物理实验 (第二版).北京:北京大学出版社，1986年3吴思诚，王祖铨近代物理实验(第三版).北京:北京大学出版社，200