【毕业学位论文】(Word原稿)基于Matlab锁相放大器工作原理仿真 相关探测、光电检测、光速测量-电子信息科学与技术

摘 要 对于微弱检测领域的研究，目前已经取得一些进展，比如随机共振检测理论、数字信号处理方法、分段采样信号相位关联检测技术以及混沌理论微弱信号检测原理等。在现代微弱信号检测理论和实践中，自相关和互相关检测技术受到普遍关注。自相关和互相关检测技术能显著提高信号信噪比，从比自身信号大得多的背景噪声中提取出有用信号。 锁相放大器是利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪，它是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。锁相放大器在微弱信号方面显示出了非常好的性能，大大提高了微弱信号检测的信噪比， 在科学研究的各个领域得到了广泛的运用。 对于整个光电探测系统，锁相放大器在整个系统中是最后对信号的处理，提高系统的信噪比。对于锁相放大器之前的电子系统最重要的就是信号的获取了。光波携带信息可以采用多种形式，如光波的强度变化、频率变化、相位变化及偏振变化。其中频率变化和相位变化属于相干探测比强度变化探测精度高 103104。 在光 电 测量中，为了使被测信号变成锁相放大器可以测量的交变信号，同时获得与被测信号交变信号相干的参考信号，需要对被测的光信号进行调制。 被调制的光信号通过光电器件接收。而光电二极管这类半导体光 电器件中频率特性最佳、灵敏度高、光谱响应范围宽、线性度好， 目前这种器件的应用极广 。 本论文对于锁相放大器的使用及应用设计了两个实验，第一个是测量 被调制光的频率，利用光电接收模块将光信号转化化电信号，接入锁相放大器的参考通道就可以获取信号的幅值和频率 。第二个实验是应用锁相放大器来测量光速。光速是物理学中具有代表性的基本常量，无论哪个时代，几乎都动用了最先进的实验设备和最优越物理方法对光速进行测量。 本实验设计方案简单，可行性高，在实验室中 以米尺的形式测量，具有很强的可操作性和扩展性。 关键词 锁相放大器 相关探测 光电检测 光速测量 目 录 1 前 言 . .研究背景 . . . 1 国内外研究现状 . . . 1 研究内容及论文的结构 . . . . . 仪器介绍及工作原理 . . . .锁相放大器的工作原理 . . . . 基于 相放大器工作原理仿真 . 基于 真 及 分析 . . . . 调制技术 . . . . .光电 二极管 . . . . . 光电二极管的主要特性 . . . . . . . 硅光电二极管的主要性能 . . . . 光电接收系统 . . . . . 12 系统电 源模块 . . . . . 光电接收模块 . . . . . 低噪声前置放大器 . . . . . 实验方案 . . . .利用锁相放大器测量被调制光波的频率 . . . .测量光在空气中的传播速度 实验方案 . 17 5 结束语 . . . 谢 . . 考文献 . . . .录 . .于 相放大器工作原理仿真 代码 .于 真 及 分析 代码 . . . 1 1 前言 研究背景 信息时代需要获取信息 1，许多科学研究和工程技术的信息需要用检测的方法来获取。当被测信号非常微弱时，易被噪声淹没，对它们 的检测往往 显 得十分困难。微弱信号检测就是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号的一门新兴技术学科。 微弱信号检测设备已经成为很多领域中不可缺少的手段，其应用范围涉及光学、电学、磁学、声学、力学、医学、材料 学 等领域。 微弱信号检测所针对的检测对象 2，是用常规和传统方法不能检测到的微弱信号量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、微流量、微振动、微温差、微压差、以及微电导、微电流等。可以说，微弱信号的检测技术是发展高新技术，探索及发现新的自然规律的重要手段，对于推动相关领域的发展具有重要的意义。 “微弱信号 ”不只意味着信号的幅度很小，而主要是指被噪声淹没的信号，“微弱”是相对噪声而言的。只有在有效地抑制噪声的条件下放大微弱信号的幅度，才能提取出有用的信号。因此，微弱信号检测是一门专门针对噪声的技术，其主要的任务是提高信噪比。 在一个电子系统中， 有 用的信号往往带有大量白噪声，从时域上看，甚至会出现有用信号淹没于大噪声中的情况。在这种情形下，传统方法通常采用带通滤波技术，使放大器中心频率与待测信号频率相同，从含有大量噪声信号众多频率中间取出有用分量，滤除其它噪声分量。但是这种选频滤波方法存在很多问题，带通滤波器的 通频带宽度不可能无限 地 变窄，其品质因素 Q 值通常不会超过 100， 且 Q 值太高的带通滤波器往往是不稳定的 。温度、电源电压的波动均会使滤波器的中心频率发生变化，从而导致其通频带不能覆盖信号频率，使得测量系统无法稳定可靠地进行测量。而且其 幅频特性曲线在通带 内不够平坦或者相频特性曲线在通带内非线性变化 。在这种情况下，利用锁相放大器可以很好地解决上述问题。 国内外研究现状 拟锁相放大器 )是用模拟器件设计的早期产品 3，由于模拟器件的温漂和噪声的影响，限制了 输出信噪比的提高，也限制了动态范围 ； 是闭环系统，没有反馈调节，信号失真程度较大；当设计完 成，其功能也就完全被确定，系统升级能 2 力差，性能不可能大幅度提高， 成本也高 ， 本质限制了其发展。但是 一些特殊场合具有不可替代的特性，例如对信号的相位比较敏感的系统和高频系统中的应用等。 目前商品形式的 字锁相放大器 )，是先将模拟信号转化为数字信号再进行灵活的相关运算处理，因而抗干扰能力强，信噪比高。又因为输出级没有直流放大器漂移的影响，动态范围大。 进一步发展是随着数字信号处理硬件技术和软件算法的发展，不仅使 超 低频的信号检测能力超过 且 能设计出 独有的新功能。即使在不变的硬件平台上，也能通过软件算法的升级而傅整个系统的性能得到提高。这种数字化硬件平台容易模块化，可以嵌入到其他系统平台中，使 应用更加广泛。 计算机相结合可以成为虚拟器；也可以 通过 软件 转 化为软件锁相放大器。当然，要使这些研究转变成商品应用还需假以时日，但新的 将成为十分活跃的发展领域。 研究内容及论文的结构 本论文 主要 分为 五 部分，第一部分介绍锁相放大器的工作原理。第二部分介绍光电检测系统中常用的调制 技术及光电探测器件。 第三部分制作一个光电接收系统 ，包括电源、光电接收模块和前置放大器 。 第 四 部分介绍 应用 用锁相放大器设计的两个 实验 和 相关的 扩展性实验 。第五 部分介绍基于 台关于锁相放大器原理仿真及分析。 2 仪器介绍及工作原理 锁相放大器的工作原理 锁相放大器由信号通道、参考通道与相关器三部分组成 4，如图 1 所示。信号通道常设 A 和 B 两个输入端，它可以对单信号输入或双信号输入进行测量。信号通道前面常设有低噪声前置放大器和有源滤波器。 图 1 锁相放大器构造 3 参考通道的作用是把频率 为 考信号变换为幅值恒定的方波。 相关器由乘法器与积分器组成，是锁相放大器的核心部分。如图 2 所示 图 2 相关器工作原理图 设相关器的的信号输入端有一输入信号 )(由有用信号 )ii 与噪声信号 )()()s )( 另有一参考信号 )(参考端输入 )s ( 这两个信号经过相乘与积分，输出一直流信号 )( ()(1 0 c o c o s (21)s i n ()()s i n ()s i n (1l i m 00 式中 T 为信号周期， 。由于噪声与信号是不相关的，所以上式左边第二项经多次平均以后为零。 由式 (1)可见，我们可以调节参考信号的相位 r ，使之与输入信号的 相位差为零。这时，相关器的输出信号为最大。在参考信号灯的幅值 已知的情况下，就可以测定输入信号的幅值 参考信号之间的相位差 )( 。这就是利用相关器从淹没在噪声中的(1) 4 信号提取出来的原理。 实际应用中参考信号通常是与输入信号同频的方波，乘法器的输出信号波形如图 3所示 。 图 3 乘法器的输出信号波形 在式 (1)中的分析中假定噪声与信号是完全不相关的。实际上噪声与信号之间的相关值 不可能绝对为零，因为在参考信号中也会有噪声存在。加上仪器本身也会有噪声，故实际上在输出电压中存在有噪声。锁相放大器的最后积分电路就是进一步用于改善信噪比。 等效噪声带宽 cn 4 1 其中： 2 1根据式 (2)，为了得到好的噪声抑制，等效噪声带宽应越小越好，也就是相应的积分时间常数 大越好。但 大，对信号的反应速度越慢，对于幅度变化较大信号的测量就要受到影响。所以锁相放大器 通过压缩信号等效带宽来抑制噪声，是以牺牲响应速度为代价的。因此，在测量中因根据被测信号的实际情况来选择合适的时间常数。 为了同时测定输入信号的幅值与相位，锁相放大器通常有两个相关器，它们各自输出输入信号与相位差为2的两个正交参考信号的相关结果。 (2) 5 基于 相放大器工作原理仿真 基于 码 的程序参考附录。 程序中定义变量及其意义 ： 分函数，即输入信号与参考信号乘积 。 分时间变量 。 频率 。 A, a, 其 输出结果如图 4所示 。 图 4 程序输出结果 基于 真及分析 程序参考附录 ，各图表意义见图的标题 所示。 图 5 程序输出结果 6 图 6 输入信号波形 图 7 输入高斯白噪声波形 图 8 输入含高斯白噪声信号波形 7 图 9 无噪声输入信号各周期积分值图表 图 10 含噪声输入信号各周期积分值图表 从仿真的结果可知：加入高斯白噪声后 的信号与无加噪声的信号是有经过相关运算后是有一定差别的。首先是计算机运算精度的影响，按程序运算的积分结果的理论值：平均值是 准差是 0，这与程序运行的无噪声输入结果不同 (参考图 5)。实际应用中，锁相放大器的时间常数也不可能无限大，也不会无限大，这考虑到自身的响应速度，所以实际应用中锁相放大器的平均值也是接近 准差在一定精度范围接近 0。 如果让程序多运行几次，对比每次加入高斯白噪声的结果，可知高斯白噪声很随机，积分的结果每次不同，但平均值 接近 准差 也 接近 0，这由图 10可知。 8 调 制技术 在光谱测量中，为了使被测信号变成锁相放大器可以测量的交变信号 5，同时获得与被测信号交变信号相干的参考信号，需要对被测的光信号进行调制。进行光调制一般利用光斩波器。 光斩波器是一个开了许多斩波孔的圆盘 6，如图 11 所示，圆盘中心固定在微型电动机的轴上。当电动机转动时，放置在光路上的光斩波器周期性地阻挡光束，使被测光束得到调制。 图 11 常见 光斩波器 实验中使用 (b)旋转调频调制盘。 调制检测光信号的优点： 调制检测光信号可以减少自然光或杂散光对检测结果的影响； 调制检测光信号 可以消除光电探测器暗电流对检测结果的影响 ； 调制检测 光信号的方法提供了多种形式的信号处理方案，可达到最佳检测的设计 ； 调制检测光信号还提供了多种调制方案，如调幅，调频和调相，从而扩大了应用范围。利用特制的调制器还可获得更多的信息，如空间位坐标信息等。 光电二极管 光电二极管也称光敏二极管，它的核心部分是 。光电二极管是一种光电器件，为了便于接受入射光照 , 光电二极管 面积比普通二极管要大得多，且通常都以扩散层作为它的受光面。为此，受光面上的电极做得较小。为了提高光电转换能力， 的 深度较普通二极管浅。光电二极管 势垒区很薄，光生载流子的产生主要是在 两 9 边的扩散区，光电流主要来自扩散电流，而不是漂移电流。其构造原理如图 12 所示 ， (a)是用 n 型单晶硅及硅扩散工艺，称 结构； (b)是采用单晶硅及磷扩散工艺，称 结构 。 图 12 光电二极管典型结构及符号 光电二极管总是在反偏压下工作，这样可以减少载流子渡越的时间及二极管的极间电容，以提高探测器的响应灵敏度和频率。 光电二极管的主要特性 光特性 图 13 硅光电二极管的光 电流输出 特性曲线 10 描述光电流 I 随入射光照度或光通量变化的关系，即 )( 或 )( 。硅光电二极管 反向偏压 5的光 电流输出 特性曲线如图 13 所示，其线性特性很好，适用于光度测量，目前这种器件的应用极广。 光谱特性 光电二极管的的光谱特性通常由其材料来决定的，.2 m ，峰值波长 .9 m ，曲线分布呈钟形。 伏安特性 光电二极管 总是在反向偏压下工作，这样可以减少载流子渡越的时间及二极管极间电容，以提高探测器的响应灵敏度和频率。但反向偏压不能太高，以免引起雪崩击穿。光电二极管在无光照的暗电流 是二极管的反向饱和电流光照时产生的光电流同光照下硅光电二极管的电压与电流的关系 如图 14 所示 。 图 14 硅光电二极管伏安特性 频率特性 光电二极管在种类半导体光电器件中频率特性最佳 7。器件中影响频率响应速度的主要因素是：其一，结电容和杂散电容的影响。在等效电路中的这些电容与负载电阻 1 并联。当 大时，电容的高频旁路作用显著，而使其高频响应变差。所以减小 改善高频响应；当 1 K 时，截止频率可达 上。其二，在 外产生的光生载流子形成时间的影响。前者与光电激发产生的有关。例如，波长较短的光子大部分在结内激发光生载流子，它们无须花费向 扩散的时间，而长波长光子有时能透到几十微米至上千微米处，这样光生载流子向 扩散需要很长的时间，由于波长不同，使硅光电二极管响应时间的变化可达 32 1010 倍。为了减少上述结 电容和载流子扩散对频率的影响，可采用 的光电二极管。 温度特性 温度的变化对光电二极管有较大的影响，在精密的光电检测系统中，必须设法削除这一影响。一种解决方案是通过电路或计算机系统对该特性进行温度修正；另一种方案是使探测器在恒温状态下工作，这种方法较好，但装置要复杂得多。 暗电流 当无入射光照射时，硅锗两种光电二极管的暗电流0器件优于锗器件，对于要求较高的场合可采用温度补偿电路，以减少暗电流对检测结果的影响。 由上述可知，光电二极管体 积小、灵敏度高、稳定性好、响应时间快，以及光谱响应在可见光到红外区中，所以光电检测技术中应用甚广。 硅光电二极管的主要性能 硅光电二极管的应用十分广泛，这里对其性能专门介绍。 硅光电二极管可分为四种类型： 高灵敏度硅光电二极管 快速响应，灵敏度稍低的硅光电二极管 大面积硅光电二极管 高速响应，光谱扩展到红外的硅光电二极管 这里介绍大面积光电二极管的主要性能： 探测率： 12/112* 104 响应时间： )50,10(10 光敏面积： 251012 3 光电 接收系统 系统电源 模块 系统对 电源 需求： 直流稳压电源， 在 0 连续可调，输出阻抗小，电源稳定性好。 电子系统都要求用稳定的直流电源，而日常生活中使用的都是 流电源，因此，需要将大的交流电变成直流电。一般地，可调直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路 、 稳压电路 和调压电路 组成 ，其 设计基本框图如 图 15 所示： 图 15 可调直流稳压电源设计基本框图 图 16 电容滤波原理 电源变压器选用单相 C 输入， 41V 出，功率为 100W 的变压器。整流电路用硅整流桥将交流电整流，输出脉动直流电。滤波电路选用 470050 的电解电容 1陶瓷电容并联滤波，其滤波原理如图 16 所示。 稳压电路选用 其引脚如图 17 所示 。调压电路利用两个电阻串联分压并利用运算放大器设计一 个恒压源。 系统电源实物如图 18 所示。 13 图 17 稳压芯片引脚 图 18 系统电源 实物图 光电 接收模块 图 19 光电接收模块原理图 14 由 光电 二极管光特性可知光 电 二极管的电导率与入射光强成反比，我们可以将光 电二极管当作是一个有极性的可变电阻。 由于实验中采用的光源是被调制的激光光源，激光光源强度的起伏不大，并且实验中探测的是一个光脉冲对光源强度要求不高。 设计的光电接收模块 如 图 19 所示。光电二极管串联一个可调电阻，这是为了适应环境的光强。 低噪 声前置放大器 为了高精确度地检 测及传送微弱信号 8，低噪声前置放大器是必不可缺少的 ，如 为了匹配 信号的输出阻抗， 提取 淹没在大噪声中 的信号 ， 提高 信号的输出功率等。 集成运算放大器被广泛用于模拟信号处理和产生电路之中，又因其高性能及价格低廉，使用方便，在大多数情况下，已经取代了分立元件。 集成运放电路由输入级、中间及、输出级和偏置电路四部分组成，如图 20 所示。它有两个输入端，一个输出级，图中所标、公共端。 图 20 集成运放电路框图 图 21 低噪声前置放大器 15 利用 号的运算放大器设计一个低噪声信号放大器，它包括信号输出阻抗匹配电路，主放大电路，放大器输出阻抗匹配电路。设计电路如图 21 所示。 第一运放是对光电模块的输出的电阻匹配，第二个运放是一个反相放大，第三个运放是正向电压跟随器。 所用的 15V 电源由系统电源提供，在接入电源时使用两个 1050V 电解电容及两个 瓷电容滤波，其构造参考系统电源滤波部分 。 4 实验方案 利用 锁相放大器 测量被 调制光波的频率 实验目的是熟悉锁相放大器的使用， 检测设计的光电接收模块及前置放大器的可用性。 需用器件： 系统电源模块， 一个半导体激光器，一台斩波器，光电接收模块，前置放大器 模块 ，一台锁相放大器 及一些支架和导线 。 半导体激光器输出光信号 (红光，在光电模块的响应范围 )被斩波器调制，被调制的光信号输出到光电接收模块，光信号经光电接收模块转变为电信号输出到前置放大器中进行放大，最后输出到锁相放大器的参考通道，由锁相放大器的参考通道可以读出信号的频率及幅值，实验框图如图 22 所示。 图 22 测量被调制光波的频率 实验框图 16 实验过程中部分图片及说明 ： 图 23 实验所用器件的 部分 实物图 图 24 光电接收模块 17 图 25 调制频率与测量频率对比 测量光在空气中的传播速度 实验 方案 测量 原理： 光信号经过调制后被调制成频率为 50光信号，在空气中传播距离s 后被光电接收器转化为相应的电信号。 第一次测量光源与接收器的距离是 二次测量变为 光在空气中传播距离的变化量 12 。相应的接收到时间变化量是12 ss 。利用 / 可算出光速。 设光源传播到接收器的的时间为信号转为电信号的转换时间及电子系统处理时间为f 是调制频率，则 接收器 接收到信号 波形 与调制前波形 的相位差 2)( 由式 (3)可得： 2)( 11 2)( 22 由式 (5)4)可得： 22)( 12 则光速： (3) (4) (5) 18 实验过程是 调制频率很高时，很小的 s 也可以获得很大的相位变化 。以上式子成立的条件是调制频率 ， 同时 f 与 要是一个可比拟量 ，这就要求调制的频率要很高 。 5 结束语 由实验 2，我们可以扩展出许多锁相放大器的应用 实验，如透明介质的折射率，长度的测量；空间的距离，运动物体的速度测量等。 限于作者水平有限及时间紧促，错误和不当之处难免，敬请老师斧正！ 19 致 谢 首先感谢指导老师李凌燕！正是由于 李 老师的耐心指导，论文才得以顺利得完成。在毕业论文期间， 李 老师对我的学习和工作都给予支持和鼓励，并且教导我对待知识 研究的态度与方法，这将对我今后的工作和学习有很大的帮助。在此向李 老师表示衷心地感谢！ 感谢四年来一直栽培我的 理 学院各位领导和教师，是他们教会了我如何去学习和生活。我相信，这些学习和生活经历定会终生受用。 感谢我身边的同学和朋友，是他们跟 陪伴 我 渡过 了 难忘的 四年，他们在我的学习上、生活上给与莫大的帮助 与 支持。 最后我要衷心地感谢我的父母！父母一直以来默默地支持着我 ，为我付出，我将铭记 于 心。谢谢！ 20 参 考 文 献 1 倪家升 , 刘统玉等 . 用于痕量检测微弱信号提取的锁相放大器电路设计及实现 J. 山东科学 , 2009, 22(5): 482 高晋占 . 微弱信号检测 M. 北京 : 清华大学出版社 , 2004. 13 孙志斌 , 陈佳圭 . 锁相放大器的新进展 J. 物理 , 2006, 35(10): 8794 陆同兴 , 路 轶群 . 激 光光谱技术原理及应用 M. 北京 : 中国科学 出版社 , 2006. 745 N . 2003. 16 江月松 . 光电技术与实验 M. 北京 : 北京理工大学出版社 , 2007. 1967 高岳 , 王霞等 . 光电检测技术与系统 M. 第二版 . 北京 : 中国科学出版社 , 2009. 568 华成英 , 童诗白 . 模拟电子技术基础 M. 第四版 . 北京 : 高等教育出版社 , 2006. 18521 10642,he of as of so In of to is of of a is a of by in to of in of in is of to is to as of of 03 04. In in to a to a by of of is of is on by s to 22 to of of is of no to of of 23 附录 1 基于 相放大器工作原理仿真 代码 : % 型仿真编程 0100410 软件平台 是 释 % %是 ;表示执行语句后不在控制台中打印 ;表示执行语句后在