锁定放大器及其在实际中的应用ppt课件

弱信号检测，西孔器2012-11-9，1，4张锁相放大器，2，1。概述自1962年以来，美国EGGPARC制造了第一个锁相放大器(LIA)以来，微弱信号检测技术取得了突破性进展。后来出现了模拟锁相放大器(ALIA)和数字锁相放大器(DLIA)。对于数字锁相放大器，将出现基于单片机的DLIA和基于专用DSP的DLIA。还有基于PC的系统级模块化DLIA，使用c、c等语言实现。因为整个系统运行在PC平台上，所以可以使用各种仿真软件研究算法。模拟锁相放大器，数字锁相放大器，3，2。锁定放大器使用抑制噪声的基本起点(1)调制器将DC或低速信号的频谱迁移并放大到调制频率，从而避免1/f噪声的不利影响；锁定放大器移动信号频谱的过程(a)调制过程(b)相位检测过程，4，(2)利用相关器实现调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号相同频率的概率非常小；(3)使用低通滤波器(LPF)、低通滤波器(low-pass filter)抑制噪声，缩小低通滤波器的频带宽度，使频带宽度不受调制频率的影响，从而显着提高稳定性。定义：电容、电感和电阻等装置的组合装置，使特定频率以下的信号元件通过，并对该频率以上的信号元件进行重大抑制。6，3。锁相放大器的基本原理锁相放大器是一种基于相关检测技术，利用互相关原理设计的同步干扰检测器。它是对检测信号和参考信号执行相关运算的电子设备，利用参考信号频率与输入信号频率相关联，与噪声频率无关，从噪声中提取有用的信号。放大交流元件并将其替换为相应的直流信号输出。是从强噪声中提取弱信号的重要手段。在国外，这种仪器有时称为Lock-inAmplifier。可以理解为通过放大与正在测量的信号中的参考信号同步的信号来检测。7，锁相放大器操作过程，8，光切割机，通常调制频率为数百赫兹，9，2个周期性信号，互相关函数，其中f1(t)和f2(t)是两个周期信号，是两个信号之间的随机延迟时间，t是平均积分时间(t，10，f1(t)和f2(t)仅在相同频率信号的情况下才能证明具有更大的输出值。相位固定放大器在随时间的演化过程中，两个相同频率的信号可以相互关联，而噪声作为随机变量与被测试的信号没有关联，经过长积分平均值后周期性重复信号的累积比随机噪声的累积大得多，因此相关检测方法可以消除深埋在噪声背景中的信号，从而提高信噪比。11，f1(t)和f2(t)为周期函数的方块图和相关检测方块图，12，两个信号的频率分别为1和2，S1(t)和S2(t)的互相关函数为，13相关信号输出仅在两个信号频率完全相同的情况下(1=2)。14，顶板表示当输入信号等于参考信号频率时，相关检测到的输出信号与输入信号的振幅V1(t)成比例，并与两个信号的相对相位 相关。锁相放大器就是根据相关检测原理，检测与基准信号相同频率的信号，抑制与基准信号不同频率的噪声或干扰信号，从而增加测量的信噪比。15、锁相放大器利用外部差分振荡技术测量的信号通过频率变换转换为直流。利用锁相放大器的信号相关原理，乘以混合了噪声的两个周期信号，积分，然后从噪声中检测信号，通过互相关运算，达到减弱噪声影响的目的。锁相放大器的工作原理，乘以16，2Hz和0.1Hz的信号时，乘以乘法器得到的结果是交流调制波。默认频率为2Hz，振幅频率为0.1Hz，只有与基准信号频率完全匹配的信号才能在乘法器输出端获得直流偏置，其他信号在输出端是交流信号。如果在乘数的输出端添加低通滤波器，则所有交流信号组件都将被过滤掉，剩下的DC组件只是与输入信号的特定频率成比例的信号组件的振幅。17，图示为一般锁相放大器原理配置。一般锁相放大器的组成分为3部分：信号通道、参考通道和相关器。检测到的信号往往很弱，伴随的噪音很大。信号通道的作用是将有噪声的微弱信号放大到能够推动相关器操作的程度，抑制和过滤一些干扰和噪声功能，从而扩大仪器的动态范围。因此，信号信道位于相关器之前，由输入变压器、低噪声前置放大器、各种功能的有源滤波器和主放大器等组成。现有锁相放大器的构成原理，18，一般来说，锁定放大器的基准信道输出是与信号同步的对称方波或正弦波，以驱动相关器的fet开关。基准信道主要包括触发电路、倍频电路、相移电路、方波形成电路和驱动电路。参考触发信号可以在仪器内部生成，也可以从外部输入，大多数产品在外部丢失。输入波形可以是正弦波、方波、三角波、脉冲波等多种周期信号。相关器是完成被测试信号和参考信号之间的互相关函数运算的电子线路。必须具有大的动态范围、小的漂移、可调整的时间常数、好的线性、稳定的增益和大的曲率范围。从相关函数的数学表达式来看，需要乘法器和积分器。理论上，可以使用模拟乘数和积分时间为无穷大的积分器检测深埋在所有噪声中的弱信号。19，相位检测装置(相关器)是实现被测试信号和参考信号的互相关运算的锁定放大器的关键组件。相位检测设备有模拟乘法器和电子开关。在此，电子开关相位检测装置受到基准信号幅度波动的影响较小，使用范围更广。电子开关相位传感器的输出等于测试的信号与振幅1、占空比为50%的方波信号r(t)的乘积。将输入信号设置为：r(t)可以表示为基于傅立叶变换的三角函数：r(t)乘以：20，表达式右侧的第一项是差分频率项，第二项是和频率项。通过低通滤波器(LPF)，所有和频率项以及n1的差分频率项都被过滤掉，最终滤波器的输出如下：也就是说，如果正在测量的信号通过相位检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)，则输出与正在测量的信号的振幅成正比，当成为与参考信号和正在测量的信号的相位差成正比的余弦函数时，输出最大。21，22，适于相位固定放大器检测的信号必须是单个频率或导频谱的宽度较小。也就是说，信号必须携带的检测量(信息)的变化非常慢，或者检测到的信息可能因高组件的丢失而扭曲。23、频谱测量中经常经历振幅变化的连续信号V1(t)。使用锁相放大器检测时，首先将该信号转换为一种调制，与基准信号频率相同的交流信号，检查锁相放大器的相同频率，然后恢复与V1(t)成比例的放大信号，与输入信号一起携带的干扰噪声与基准信号频率不同，全部滤除。，例如，频谱测量过程，24，锁相放大器处理信号的过程，25，截断器，通常调制频率为数百赫兹，26，测量过程，27，在使用中要注意相位调整，仅在特定适当的相位条件下有最大输出信号。此外，积分时间常数t的选择也很重要。时间常数t越长，低通滤波器的带宽越窄，对噪声的抑制能力越强。但是，速度较慢的信号V1(t)仍然使用一定的频带宽度，因此低通滤波器需要一定的带宽才能使信号通过。时间常数t获取的时间过长，低通滤波器带宽过窄，信号V1(t)可能失真。具体分析如下：28、锁相放大器的信噪比提高程度(输出信号与输入信号比)，样式Bn是相位检测器之前的等效噪声带宽。相位检测器和后续低通滤波器可以被认为是极窄带宽的组合滤波器， 是由时间常数t确定的低通滤波器的等效噪声带宽。这样，锁相放大器的信噪比改善程度大约是103106倍。29，用锁相放大器测量Ne频谱，30，调频频谱方框图，31，锁相放大器模型：EGG5101，灵敏度：1v补偿调整：10全状态信号频率：50频率范围：5hz-100 khz；输入阻抗：1m；输出振幅：1V，600 全部；补偿调整：10满信号；参考信号：小于200mvp-p、最大小于5vp-p、在1vp-p下，相位角度指示绝对值最准确。参考信号输入阻抗：1m；时间常数：1毫秒30s可调。EGG5101锁相放大器的参数，33，SR830锁相放大器，34，SR830锁相放大器，灵敏度：2n B- 1v；测量频率：100KHz时间常数：10s-30s；校正：10倍满值，35，全尺度敏感度2nev-1v输入；输入阻抗10M 25pF，交流或直流耦合；基准信号频率范围1 MHz-102 khz；相位角度误差1；时间常数10s-30s；内置振荡器频率范围1 MHz-102 khz；调整零点补偿范围105%整值；输出扩展x和y可以扩展10到100倍。SR830锁相放大器的主要指标，36可根据用途分类为：1.基于正交矢量的锁定放大器，同相输出：测量信号的幅度和相位：37，2。当信号频率特性发生变化时，信号的频率位于带通滤波器的一侧，从而防止输出不稳定的外部锁定放大器、38、锁相放大器的输出信号中仍然存在的噪声，主要原因是：(1)为了防止信号失真，低通滤波器必须保持一定的带宽，这可能导致部分剩余噪声。(2)噪声组件总是具有与基准信号频率相同的组件，这一部分不能消除噪声。(3)基准信号可以被看作定型后没有噪声的信号，但实际上是由具有一定比例谐波的组件构成的，从而引起剩余噪声。通过相位固定放大器后残余噪声、39、校正(offset)的作用，如果有测量背景，则可以补偿DC背景信号以提高测量灵敏度。