ND-201,ND-205型锁定放大器使用说明书.doc

ND-201、ND-205型锁定放大器使用说明书一、技术指标 (1)工作频率范围：2Hz-100KHz (2)测量量程(满刻度灵敏度FS)：10nv-IV 主机输人：输出电压为1V的输入电压量程：lV，10V，100V，lmV，10mV，100mV，1V。 主机加接前置放大器输入，输出电压为1V的输入电压量程：10nV，1V，1OV，100mV，lmV，10mV。 (3)输入阻抗： 主机：200K 前置：5M40Pf(4)输入短路整机噪声电压(典型值在1KHz时) 前置+主机2nV(5)共模抑制比(CMRR)： 前置+主机： 80dB(6)输出电压指示： 数字：1.999V+1.999V模拟表：1.00V+1.00V(7)最大输出电压：10V(8)最大输出电流：5mA(9)输出阻抗：200(10)参考信号输入电压范围（rms）: 100mV-10V(11)参考模式：f、2f(12)不相干信号最大过载电平：4000FS(13)白噪声最大过载电平：400FS(14)输出直流漂移：510-4FS/H(15)输出总动态范围：130dB(16)时间常数 10ms,30ms,100ms,300ms,1s,3s,10s,30s(17)电源：220V10% 50Hz(18)工作条件： 环境温度：0-40 环境湿度：80%KH以上指标除特别说明外，均在1KHz常温下测量的指标。二、使用说明(一)面板图及说明前面板图如图十二所示，面板开关旋钮说明。 1、前置放大器“放大倍数”开关 2、“测量、短路”开关 3、输入电缆插座 4、“接地”端 5、“接地、浮地”开关 6、前置放大器“输出”电缆插座 7、主机“输入”电缆插座 8、灵敏度开关 9、高通滤波器截止频率选择开关 10、低通滤波器截止频率选择 11、VX输出零偏调节旋钮 12、VX输出电缆插座 13，VY输出零偏调节旋钮 14、VY输出电缆插座 15、数字表、模拟表显示功能选择开关 16、模拟表 17、数字表 18、过载指示灯 19、失锁指示灯 20、时间常数选择开关 21、相移器0、90、180、270，选择开关 22、相移器0-100调节旋钮 23、参考模式“f，2f”选择开关 24、参考信号输入电缆插座 25、电源开关 26、电源开关指示灯(二)通电前准备图十三 仪器电源相、中、地线接线图1、核对实验室电源电压是否220V，并特别注意电源的相、中、地是否按国家规定标准接线本仪器的电源插座和电源线插头均按标准接线，接法如图十三所示。实验室电源必须符合标准，否则会机壳带电影响人、机安全。 2、前置放大器的“测量、短路”开关(2)置短路，“接地、浮地”开关(5)置“浮地”。 (三)测量操作 1、开启电源开关(25)，指示灯(26)亮，电源接通，预热5分钟，此时，面板各开关预置如下：前置放大器放大倍数开关(1)置100(亮)灵敏度开关(8)置1000mv(亮)高通滤波器截止频率开关(9)置0.1Hz(亮)低通滤波器截止频率开关(10)置最高(亮)模拟表，数字表显示功能开关置模拟表指示VX、数字表指示VY、(VX、Vy)(亮)时间常数开关置30ms(亮)相移开关置0(亮)参考模式f、2f置f(亮) 2、接上参考信号，参考信号由参考信号输入插座(24)输入，参考信号电平不小于100mv(rms)，不大于10V(rms)，宜选在100mv-1v(rms)为宜，观察失锁指示灯，当失锁指示灯亮或闪烁、表示锁相环失锁，指示灯熄灭，表示锁相环已锁住，参考通道已正常工作 3、调零，用起子调VY的零偏调节(13)，并观察数字表(17)，使为0，调VX的零偏(11)，观察模拟表(16)，使指针为0，若认为模拟表指示不够精确，改变显示功能，按VY、VX键，此键灯亮，此时，模拟表显示VY，数字表显示VX，再调VX的零偏电位器，观察数字表(17)，使指示为O。调零调好之后，以后测量不再调节零点。 4、接上待测信号源(传感器或其它弱信号源)与前置放大器的接地端(4)之间的地线，地线宜用铜质粗软导线，并尽量短为好。 5、接上待测信号源与前置放大器输入端(3)之间的电缆，电缆宜短。接上前置放大器输出(6)和主机输入(7)之间的短电缆。 6、前置放大器“测量、短路”开关(2)置“测量”。前置放大器的放大倍数“增益”键(1)，开启电源是置100，对小信号测量，最好是用1000，因为，此前置放大器为特赶低噪声前置放大器，尽量加大此放大倍数，对测量有好处。按此键的1000键，指示尤亮，此时前置放大倍数为1000倍。 7、按灵敏度开关(8)的灵敏度键，使灵敏度逐步提高，并注意观察数字表(17)模拟表(16)，直到指示大于0.200以上为止。 8、若模拟表(16)指针偏转超过满刻度，表示模拟表过载(输出电压大于1伏)，也表示采用模拟表指示，灵敏度开关(8)选择的灵敏度过高，需减小灵敏度一档。 若数字表(17)超量程(数字熄灭，小数点亮)，表示数字表过载(输出电压大于2伏)，即采用数字表指示，灵敏度开关(8)选择的灵敏度过高，需减小灵敏度一档。 上述两种表头过载并不是仪器过载。本仪器有很大的输出动态贮备。本仪器的输出过载电平为9V， 即当仪器的输出超过了1伏或2伏时(指示的表头已过载)仪器不过载，此时可以用外接X-Y记录仪或外接数字表指示(由输出电缆插座()2)或(14)输出)不必改变灵敏度，这时仪器具有很大的输出动态范围(从0.1伏一9伏)。 9、模拟表、数字表“显示功能”选择开关(15)的使用。 比“显示功能”开关(15)控制模拟表(16)，数字表(17)指示测量信号的不同分量，便于读数，此开关各键功能如下： 按开关(15)的左边第一个键VX、VY，此时，模拟表(16)指示VX分量，数字表(17)指示VY分量。 按开关(15)的左边第二个键VX，VY，此时，模拟表(16)和数字表(17)均指示VX分量。 按开关(15)的右边第二个键VX，VY，此时，模拟表(16)指示VY分量，数字表(17)指示VX分量。 按开关(15)的右边第一个键VY，VY，此时，模拟表(16)和数字表(17)均指示VY分量。 10、输出电缆插座的使用 电缆插座(12)、(14)分别为被测信号电压的VX，VY的输出电缆插座，输出阻抗为200，可外接x，y记录仪或其它指示，记录仪表，这些输出端不受显示功能开关(15)的控制，能同时输出VX，VY分量，最大输出电压为9伏。 11、直角坐标分量VX，VY的测量 在许多测量中需要测量用直角坐标分量VX，VY表示的被测信号，本仪器能十分方便的进行VX，VY分量的测量，此时，可以作矢量电压表使用 用直角坐标分量表示被测信号的大小，使用相移器能测量被测信号在四个象限中的分量，调节相移器细调旋钮(22)能改变0-100的相移量、按相移开关(21)的键，能使相移改变0、90、180、270，由开关(21)和旋钮(13)配合使用，可以得到0一360内的任意相移量，即可以使被测信号落在四个象限中的任何一个象限。相移量、VX，VY及象限对应如下表所示：表 象限、相移量，Vx，Vy的对应表象限相移量VXVY0-901-00-190-180011-0180-270-1-00-1270-3600-1-1-0 13、极坐标分量VA、的测量。可以用直角坐标和极坐标之间的对应关系，测量直角坐标分量计算出极坐标表示的幅值VA，相位。有公式：14、被测信号电压值的测量在许多测量中只需知道被测信号电压值的大小，对他们的相位或在第几象限不感兴趣，这就使测量变得更加简单，从理论上讲，有下列两种方法： (1)测出Vx，Vy值，求即得幅值VA。 (2)调节相移开关(12)和旋钮(22)，使Vy=0，则VX=VA，或使VX=0，Vy=VA，此时，是在第一象限内进行如果不考虑象限，则有，当VY=0，有VA=VX；当VX=0，有VA=VY。测量操作，显示功能开关(15)置VxVy或VY，VX，相移器开关(2”置任一个键，例如：置90，调节相移器0一100的旋钮(22)，同时观察模拟表(16)和数字表(17)的指示值，使其中任何一表为0，则另一表指示的值即为被测信号的幅值，对应的输出电缆插座的输出值为被测信号的幅值。如果想要另一个电缆插座输出，只要把相移开关(21)置相对于原来置的相移量加或减90，若输出幅值为负值，再移相180，即为正值。15、信号的输入，被测信号一般由前置放大器输人，只有当信号大于10mv时，才由主机输入，当信号小于10mV，虽也可以由主机输入，考虑到前置放大器为超低噪声前置放大器，并且有高输入阻抗，“浮地”有80db以上的共模抑制能力，因此从前置输入优于直接从主机输入 (四)读数、计算与结果 电压读数根据数字表、模拟表或输出电缆插座的输出电压(用外接表读数或用x-y记录仪)Vo，灵敏度开关键(8)置的档位VFS，前置放大器增益键(1)置的放大倍数K，可按下述公式求得被测信号VS的有效值(rms)： 例如： (1)前置放大器的放大倍数K=1000，灵敏度开关键lmV(即VFS=1mV)，数字表或模拟表指示V0=0.9伏。则有上式求得VS=0.9V。 (2)前置放大器的放大倍数K=1000，灵敏度开关100V(即VFS=100V)，数字表指示V0=191伏，则VS=191nV。 (3)前置放大器放大倍数K=100，灵敏度开关置VFS=lmV，模拟表，数字表显示过载(数字表小数点亮，数字熄灭)，用外接表测输出电缆插座(VX或VY输出插座)为56伏。则同样可以用上述公式求得VS=56V。(因本仪器输出过载电压为9伏，输出电压小于9伏均能采用此方法读数)。或减小灵敏度开关一档，使VFS=10mV，则数字表或模拟表读数为0.56伏，同样求得VS=56V (1)直角坐标分量Vx，Vy的读数 Vx，Vy两分量均按上述方法读数，只是上述公式中VS为VSX或VSY，VO为V0X或VOY，其它一切同上。 (2)极坐标VS和的读数计算。 首先测出VSX和VSY，可以求得： 输入信号的幅值 输入信号相对于参考信号的相位： (3)若只需测量被测信号的大小，对相位不感兴趣，则可以作为极坐标的特殊情况进行测量。有下列两种： (a)调相移器使VSY=0,则VS=VSX (b)调相移器使VSX=0,则VS=VSY 噪声测量： 由于锁定放大器可以等效为以参考信号为中心频率的窄带选频检测器，并且具有很高的灵敏度，因此，用锁定放大器作为低频点频噪声测量仪器是很合适的要测某一频率的噪声，只要把参考信号的频率调在这一频率上即可，若用一个慢扫频信号发生器作为参考信号源，就可以测量扫频频率范围内的噪声频谱下面较详细地介绍点噪声测量框图及计算方法。例：测量运算放大器的噪声电压谱，测量框图如图十四所示。 待测运算放大器接成反相放大器，并输入端短路，放大器的放大倍数为R2R1，待测放大器要严格屏蔽，为了减少电源带来的噪声和干扰，最好采用电池供电放大器输出的噪声电压除于放大倍数为放大器的输入端的等效噪声电压。用ND-201测出放大器的输出端的噪声电压值，就能求得放大器的输入端的等效噪声电压。用信号发生器输出的正弦波(或其它周期波形)电压，作为ND-201的参考信号。参考信号大小选在100mV-10V之间。按图十四的框图联接由于被测噪声的幅值和相位都是随机的，锁定放大器的输出使用Vx或Vy，接函数记录仪。选择适当的灵敏度和时间常数，使仪器能正常工作，由于记录仪记下输出电压的波形求得平均值，按下述公式，可求出运算放大器输出端的单位带宽的等效噪声电压值Vn(rms) 式中：VFS为灵敏度开关(8)所置的满刻度灵繁度电压值。 ，为记录仪记下的输出电压平均值， K，为ND-201前置放大器的放大倍数 Bn，为ND-201的等效噪声带宽 1.13，是噪声均方根值的修正系数由于噪声的相位和幅值是随机的，因此，Vx或Vy的输出为正负随机的电压波形，从记录的波形可以求得峰峰值VNp-P 。对于一般的工程近似，有等效噪声带宽，由锁定放大器的时间常数T决定，有，T由时间常数键(20)决定。把VNP-P和T代入上式得：设运算放大器的闭环放大倍数测量时选择参数为：K=100，VFS=lOmv，VNP-P=1.2伏，T=1秒，参考信号频率为lKHz，计算折合到运算放大器输入端，在频率1KHz时的单位带宽的噪声电压为：(五)其它操作 (1)时间常数键(20)的选择 锁定放大器采用的是窄带抑制噪声技术等效噪声带宽B。反比于仪器的时间常数T (即)，时间常数越长，等效噪声带宽越小，则对噪声的抑制能力越强也就是说，锁定放大器能获得信噪比的改善是牺牲时间为代价的。 对于一个变化缓慢的信号，可以采用较长的时间常数进行测量，但对于一些变化较快的信号，在测量时要注意使用的时间常数与被测量变化速度相适应。时间常数选得过短，则信噪比改善得不够，输出噪声较大。时间常数选择得过长，虽信噪比改善得较好，但有可能把有用的变化信号也给平滑掉，而不能分辩。 (2)f、2f开关的使用 锁定放大器是用相于测量技术测量与参考信号频率同频的信号。 有些测量中，除了要测量基波外，还要测量二次谐波分量，例如测量一些器件的非线性效应，微分电阻等为了这些测量在本仪器的参考通道中增加了一个r、2r选择电路，由面板开关(23)控制。测量与参考信号频率相同的信号时，此开关置“f”。要测二次谐波时此开关置“2f”。请使用时注意。 (2)过载指示 过载指示灯(18)亮，表示被测信号的背景噪声过大，仪器某级过载，使测量带来误差，必须解除过载。通常的办法是：用高通，低通滤波器来滤去部分背景噪声干扰，解除过载，高、低通滤波器的截止频率的选择原则是，尽量向被测信号频率靠近，使组成一个带通，抑制通带外的背景噪声，如还不能解除，可再用减小灵敏度的方法来解除过载。五、注意事项 微弱信号检测不同于一般测量，在测量中要特别注意减少噪声，防止干扰。细心合理地考虑屏蔽、接地、隔离、选择传感器和工作频率，只有这样才能得到满意的检测效果，由于各个方面的测量情况是千变万化、没有一个万舶的解决方法，各用户必须根据自己的测试系统和本仪器的特点进行合理安排，发挥本仪器最佳性能。下面就几个重要问题提请用户注意。 (1)最佳信号源内阻的选择 测量系统的传感器选定后，信号源内阻就被决定，必须了解传感器和测量对象的信号源内阻范围，使前置放大器工作在最佳噪声情况下，最大限度地提高输出信噪比。特别在远红外、超导、磁测量时，信号源内阻很低，这时可以外加输入变压器进行匹配，得到最佳噪声性能。 若传感器可以选择，则可以根据前置放大器要求的最佳源内阻来选择传感器。选择传感器除了考虑源内阻外，还要考虑本身燥声、效率、频率特性等因素，如果单以源内阻来考虑。为了减小源内阻的噪声，以源内阻小为佳。 本仪器的前置放大器是一种性9B优良的特低噪声前置放大器，输入阻抗为5M40Pf,输入端的等效噪声为 (在1KHz时)他具有较宽广的信号源内阻范围。一般来讲，信号源内阻从10一10K均能得到满意的结果。 (2)屏蔽 信号十分微弱，减小外来干扰很重要，虽然仪器本身能抑制噪声和干扰，但总有一定的限度。为了得到最佳检测效果