锁相技术1111.doc

实验十二锁相技术一、引言 锁相，就是实现两个电信号相位同步的自动控制。锁定放人器(LIAL0ckin AmDlmer)是锁相技术在微弱信号检测中的应用，本实验将研究锁定放大器的原理和应用。实验的目的要求是：l了解锁定放大器的工作原理，着重掌握相关器的原理。2学会使用锁定放大器，并用它测量pn结势垒电容。二、原理 (一)锁定放大器的基本原理 本实验采用NL一1锁定放大器，其原理框图见图12k锁定放大器是一种交流电压表，它能精确地测定深埋在噪声之中的周期重复信号的幅值及相位，这种抑制噪声的作用主要是通过相关器实现的，使用时，除要输入待测信号外，还要输入参考信号。输入信号通道低通滤波器相乘电路同步积分器信号输入ABC参考通道参考信号输入EFF图121 NL一1锁定放大器原理框图 1、相关器 锁定放大器中的相关器如图122所示。它由相乘电路和低通滤波器组成，相乘电路有许多形式，如开关型、电流控制型等等，NL一1锁定放大器采用开关型。低通滤波器具有压缩噪声带宽，让直流信号通过的作用，它抑制噪声的能力可以用“等效噪声带宽”相乘电路输入信号低通滤波器R-+参考信号 图122相关器这一参数来描述，可以求出，图122中的低通滤波器的等效噪声带宽n=低通滤波器的时间常数T=Rc，T越长则n越小，但实际上由于漂移等问题，T是不能太长的。下面是相关器的工作原理。 相关器采用的是所谓相关接收技术。设输入信号为，参考信号为，由于低通滤波器实际上是一个积分器，因此相关器的输出是和乘积，再对时间积分，并取平均值有 = (12-1)式中t是参考信号相对于输入信号的延迟时间，积分时间上限T即低通滤波器的时间常数，通常把式(121)所表示的称为和的相关函数，实现求相关函数的电子线路称为相关器或相关接收器。下面的讨论会更清楚相关器的作用。 设入输入信号与参考信号都是频率为的正弦波，且输入信号有噪声，即 （12-2）式中为随机的噪声频率，分别为信号和随机的噪声与参考信号的相位差，和为它们的振幅，通过乘法器的输出电压 通过低通滤波器后，上式等号右边第：、四项被滤去，相关器的输出电压为 = + () (12-4) 式中上式第一项为直流输出，第二项中的如果大于低通滤波器的带宽，则被滤去，如果小于低通滤波器的带宽，则输出仍有少量噪声。 实际上考虑到线性和动态范围，锁定放大器的相乘电路采用开关电路，因此参考信号是F式所示的的单位方波： (12-5)其中为方波的频率。如果输入信号仍是频率为的正弦波:其中年为输入信号与参考信号之间的相位差，按照参考信号为正弦波的方法进行讨论可以求得(12-2)所示的相关器的输出电压为 (12-6)这是锁定放大器的基本公式，为直流电亚，正比于输入信号的振幅，并和的余弦成正比。为低通滤波器的直流放大倍数，负号表示从反向端输入。改变输入信号和参考信号之间的相位差，可以求得输入信号的幅值和相位，从式中可以看出，当或，正比于，且为最大值；当=或，为零。图12-3画出了输入信号与参考信号处于不同相位的乘法器输出（）的波形以及低通滤波器的输出的电平（为直观起见，图中画的与分量同号），从上述可知，乘法器具有相位检波作用，因此常被称为相敏检波器. 图12-3 相敏检波器的相位检波特性如果输入信号有噪声，与式（12-2）所示的参考信号为正弦波类似，在参考信号为方波的情况下，噪声与参考信号的差额所组成的各种中频，只有落在低通滤波器的等效噪声带宽之内的一小部分分量才对相关器的输出有影响，这样，信号可以从相关器通过，噪声的绝大部分被滤波，埋在噪声中的信号就被检测出来。 由于参考信号为方波时还没有谐波响应，因此相关器也可以检测方波，而且总等效噪声带宽应用下子计算 这里不再详细讨论，式中n=是低通滤波器的等效噪声带宽。 对于给定白噪声，噪声典雅正比于等效噪声带宽的平方根。因此，锁定放大器获得的信噪比改善，是输入信号的噪声带宽与相关器的等效噪声带宽之比的平方根，即 2同步积分器与相关器的联合使用 同步积分器的原理线路如图12-4所示其中S是电子开关，由参考信号(方波)激励，使两个相同的电容C交替与R连接。同步积分器的工作原理与相关器相似，不再讨论，但相关器输出是直流，它输出是方波，当输入信号与参考信号同步时，方波幅度最大。同步积分器与相关器联合使用见图121，图中各点波形及输出的电平见图125。同步积分器抑制噪声力强，但输出是方波，所以作为相关器的前级是很合适的，这样锁定放大器抑制噪声能力更强，动态范围更大。 (二)P-N结势垒电容的测量原理在半导体器件原理与设计中知道，P-N结中存在势垒电容，电容的大小与加在P-N结 接锁定放大器输入端 图12-6 P-N结势垒电容的测量原理上的偏压有关，这里用锁定放大器来测定二极管p-N结反向直流偏置时的势垒电容(C-V测量)，测量原理见图12-6.图中Cx是待测的二极管D的电容，是己知电容，是交变电压。当时，在两端的电压由于随着偏压变化，不能加得太大，而且公式成立的条件是，因此，Vi很微弱，可以用锁定放大器来测量。二、锁定放大器的使用方法 为了解锁定放大器的使用方法，给出NL-1锁定放大器的方框图和面板控制旋钮示意图，如图12-7、128所示，它主要由输入信号通道、参考通道以及同步积分器和相关器等部分组成，结构上分为五个组件。(一)输入信号通道 输入信号通道包括前置放大器、高低通滤波器和交流放大器等，其作用是放大信号，使信号足够大，适合于下一部分的同步积分器正常工作。组件I就是前置放大器，有两个信号输入端：A(6)和B(5)，待测信号源为单端输出时，从A端输入，开关(9)置“A”;待测信号源为双端输出时，从A、B两端输入，开关(9)置“AB”。前置放大器的输出信号从输出端(7)输出。图12-7 NL-1锁定放大器的方框图组件II也有信号输入端(10)。它接前置放大器的输出端(7)，当信号较大时，可以不使用前置放大器而直接从(10)端输入，当信号大于10mV，只能从(10)端输入。高低通滤波器可以减少信号中的噪声，提高后级的动态范围，它由开关(12)和(15)控制，一般测量时应使截止频率向被测频率靠近，低通的“最高档是625kHz。灵敏度表示表头(25) 满刻度时输入信号的大小。噪声输入端(13)和选择开关(16)是联合使用的，选择开关置I表示噪声送给加法器I。置“II”表示噪声送给加法器2。(二)参考通道组件就是参考通道，其作用是把输入的正弦波或方波统一变成幅度恒定的方波送至相关器和同步积分器，方波可以被移相，相位由。连续可调，相移量是按键28 （a） 前面板 （b）后面板图12-8 NL-1锁定放大器前，后面板控制旋钮示意图和旋钮(3 0)读数之和。参考输入信号电平为100mV50V，从(29)端输入，(27)端是方波监视，只有按上按键(28)中的一个，才有方波输出。锁定放大器的输出电压从表头(25)读出，有时要改变表头输出电压的极性，只要改变按键(28)使相移改变180。，表头电压的极 性就与原来的极性相反。(三)同步积分器和相关器这是锁定放大器的核心部分，其电路和旋钮基本上在组件III。包括同步积分器、加法器、 交流放定器、相敏检波器、低通滤波器和直流放大器等。这些电路的功能是：抑制噪声， 对信号进行同步检测。面板上，积分时间”旋钮(17)调节同步积分器的积分时间常数当，只需要相关器而不用同步积分器，把旋钮置0即可，这时信号直接由交流通道送至相关器，“时间常数”旋钮（18）调节低通滤波器的时间常数，选择时间常数的一般原则是：在保证仪器输出信噪比足够的条件下，尽量减小时间常数，提高输出时间的响应。交流输出端（20）用于观察同步积分器的各级波形，观察哪一级波形由输出选择旋钮（19）控制，旋钮分五挡：0（无波形输出），1（加法器1输出的波形），2（同步积分器输出的波形），3（加法器2输出的波形），4（相敏检波器的输出波形，简称PSD的输出波形）。输出端（23）输出的是直流电压，与表头所显示的电压相同。零偏开关（22）和旋钮（24）是联合使用的，使用零偏可以扩大微小变化的指示，当开关（22）置0时表示不使用零偏。由于仪器有两个加法器和交流输出装置，故除可用于测量电信号外，还有两个作用：1.研究相关器。从信号输入端（10）或噪声输入端（13）(开关（16）置 )输入正弦信号，可以观察相关器的PSD输出的波形，从信号输入端输入正弦信号和从噪声输入端输入白噪声，可以观察两者相加后的波形和相加后经过PSD输出的波形。2.研究同步积分器。与研究相关器的方法相似。锁定放大器的测量结果按下述方法计算：设表头读数为，灵敏度旋钮指示为。前置放大器的放大倍数为，求得被测信号的有效值为： （12-9）此外，本锁定放大器还附有1KHZ正弦信号源，10KHZ正弦信号源和白噪声源，如图12-7，12-8（B）所示，它们都可以独立适用，组件V就是本机的电源控制旋钮。三、实验内容和步骤(一)熟识锁定放大器的工作情况，进行交直流线性关系测量。1 阅读NL-1锁定放大器使用说明书第五部：使用操作步骤。2 检验参考通道，测量锁定放大器的支流输出信号与交流输出信号之间的线性关系。(1).从锁定放大器后面板的1KHZ正弦信号输出端（36）取出100mV(有效值)的信号（调 节旋钮（37）用毫伏表测量，一下个步骤中取出信号或白噪声的方法同此），按图12-9连接号线路。相移旋钮（30），观察上，下拨形象为茶的变化。改变输入信号的大小，方波是否改变？(2).按图12-10连接好测量线路，并用一电缆连接牵制放大器的输出端（7）与高低通滤波器的输入端（10），当被测信号较大时，也可以直接从（10）端输入，调节锁定放大器各开关旋钮的位置如下：“测量短路”开关先置“短路”，测量时置“测量”，“A-A-B”开关置A,“浮地-接地”开关置接地，高通置100KHZ，低通置“最大”（62.5KHZ）“积分时间”和“时间常数”旋钮置1S,偏置开关（22）置0，灵敏度先置1000Mv,针后慢慢增大。 12-10 交直流线性关系测量接线图当有信号输入时，增大灵敏度至表头指针有偏转，调节参考信号相移使偏转幅度最大，从表头读出支流输出电压，改变变阻器R的阻值（注意保持毫伏表的电压为500Mv）,使输入锁定放大器的交流信号的幅度改变，记录下表头直流电压。从各分压电阻的数值可以算出对应的输入交流电压，列表，画图。 12-11PSD的波形观察和输出电压测量接线图(二)相关器的波形观察和参数量1.相关器的波形观察和输出电压测量 按图(12-11)接好线,锁定放大器的灵敏度置1000 mV,加法选择开关(16)置II,表示将噪声输入(13)输入的信号送至加法器2,然后进入相关器,时间常数旋钮置1s,零偏开关(22)置0. 按下按键,调节相移旋钮使表头的电压最大(指针偏左),输出选择开关置4,示波器下线将出现输入信号与参考信号之间的相位差为时的PSD输出的波形,观察示波器的方波,PSD输出的波形和读出表头电压V0,分别再按下,和按键,得到相应的波形和输出电压,如图12-3所示,说明由此得出什么结论？(三)观测相关器对噪声的抑制作用1.锁定放大器的高通置100Hz,低通置1.5kHz,同步积分器的积分时间常数旋钮(17)置0,其余开关旋钮的位置同步骤(二)中1.2.从后面板取出1kHz,500mV的正弦信号,按图12-12连接好,并接上示波器,观察PSD输出的波形,然后再取出100mV的白噪声(用毫伏表测量),并用示波器观察其波形.把白噪声接至噪声输入端,输出选择开关置3和4,观察加法器2输出的信号与白噪声混合的波形和PSD的输出波形. 12-12 观察相关器抑制噪声作用的接线图3.用毫伏表或示波器接交流输出端，测量输入至乘法器的输入信号和白噪声，使它们的大小分别是=500mv,表明相关起的输入信噪比/=1/2。4.用记录仪画出支流信号图形。记录仪的Y轴量程为1V/CM，X轴取10S/CM的画图速度，分别画出相关器的时间常数为0.01S,0.1S,1S,10S时的直流输出图形，并画出无噪声输入，且时间常数取1S时输出的图形相比较，并从图上分析：（1）输出信号是否以有用信号为主，噪声只占很小的分量？（2）噪声是否随着时间常数的增大而减小？5.用记录仪画出噪声的输出图像。记录仪Y轴量程改为50MV/CM，相当于把噪声放大20倍，锁相放大器中的“零偏”开关拨向右边，调“零偏”旋钮使表头的直流输出为零，这相当于抵消了输出信号中的有用信号，只留下噪声送到记录仪上，同样画出时间常数为0.01S,0.1S,1S,10S及无噪声时的输出。6.按照5画出的图形，求出四个时间对应的输出噪声的峰值，并近似按下式求出输出噪声的有效值： 式中A是峰峰值与有效值之间的换算系数，它与很多因素有关，用记录仪测量时，可取A=6,是否比小得多？ 7.已知白噪声的带宽，输入,输出读数中得到，请按下面的式子，求出0.01s,0.1s,1s,10s时的输出噪声（其中可由式12-7求出）。 (12-11)计算结果与上式是否相符？8.将上述计算过程及结果列表，并分析相关器对噪声的抑制作用。(四)进行P-N结C-V测量 测量线路见图12-13，P-N结选二极管2CP3