第四章锁相放大器实际用.ppt

微弱信号检测,4锁相放大器,4.1概述(为什么引入锁相放大器,应用场合?)首先回忆一下滤波器降噪的基本方法，原理，适用条件。4.1.1特点锁相放大器相当于高Q值带通滤波器，采用一种特殊的方法，利用低通滤波器代替带通滤波器，使“实际的”带通滤波器的Q值可以提高到1011左右，从而实现了一种特殊的带通滤波器，能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上。,1,4锁相放大器,4.1概述4.1.2原理,2,4.2理论基础4.2.1相关检测原理(1)自相关检测,3,4锁相放大器,4,xi(t)与ni(t)相互独立，则互不相关，因而为零。,当xi(t)为白噪声、且足够大时，Rx()0。,当ni(t)为振幅等于1的正弦信号，,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.1相关检测原理(1)自相关检测,5,xi(t)与ni(t)相互独立，则互不相关，因而为零。,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.1相关检测原理(2)互相关检测,6,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.1相关检测原理(3)的选择,对于互相关检测，,设被检测信号为正弦波,当取=0,Rn()具有最大值。,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(相敏检测器PSD)(1)乘法器型相敏检测器,PhaseSensitiveDemodulator相位灵敏调解器相敏检测,正弦波信号、正弦波参考,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号、正弦波参考,幅频特性,LPF为一阶RC低通滤波器幅频相频特性,当,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号、正弦波参考,幅频特性,LPF为一阶RC低通滤波器,0,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号、方波参考,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号单频等幅噪声、正弦波参考,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,信噪改善(正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考),输入噪声功率,输入信号功率,输出噪声功率,输出信号功率,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,信噪改善(正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考),若LPF为一阶RC回路（A01）,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号窄带白噪声、方波参考,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器(构成框图)(同乘法型PSD间的区别),变压器倒相加模拟开关,运算放大器倒相加模拟开关,方波参考Vr=1,开关型相敏检测器的优点？,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器(不同相位时相敏检波器的波形图),方波参考Vr=1,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器(基本器件与电路),差分输出放大器(全差动型运算放大器)单刀双掷模拟开关,HC4053三单刀双掷模拟开关,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器(基本器件与电路),差分输出放大器单刀双掷模拟开关组合电路(乘法),方波参考,4锁相放大器,4.2理论基础4.2.2相关器构成(相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器(基本器件与电路),IGFET单端输出集成运放组合电路(乘法),方波参考,4锁相放大器,4.3锁定放大器的组成4.3.1基本构成,(1)信号通道（作用及要求？）交流放大器(低噪前置AC放大)带通滤波器,4锁相放大器,4.3锁定放大器的组成4.3.1基本构成,(1)信号通道交流放大器带通滤波器(LPFHPF原理图),4锁相放大器,4.3锁定放大器的组成4.3.1基本构成,(1)信号通道交流放大器带通滤波器(LPFHPF特性曲线),4锁相放大器,4.3锁定放大器的组成4.3.1基本构成(1)信号通道,(2)参考通道(过零单稳触发Ui移相Uo方波形成),移相器,4锁相放大器,4.3锁定放大器的组成4.3.1基本构成(1)信号通道,移相器及其时序,(2)参考通道,RaRb，则IbIa,4锁相放大器,4.3锁定放大器的组成4.3.2正交矢量型锁相放大器,(1)基本原理,4锁相放大器,4.3锁定放大器的组成4.3.2正交矢量型锁相放大器,(2)正交参考信号的产生(原理图),4锁相放大器,4.3锁定放大器的组成4.3.2正交矢量型锁相放大器,(2)正交参考信号的产生(时序图),4锁相放大器,4.3锁相放大器的组成4.3.3外差式锁相放大器,(1)结构原理,特点：带通滤波器中心频率fI恒定，特性稳定。,4锁相放大器,4.3锁相放大器的组成4.3.3外差式锁相放大器(1)结构原理,(2)PLL频率合成器,4锁相放大器,4.3锁相放大器的组成4.3.4数字式锁相放大器,(1)结构原理,特点：频带宽，采用数字滤波和软件数字相敏检测适应性强。还可以采用纯软件数字移相器，简化线路。,4锁相放大器,4.3锁相放大器的组成4.3.4数字式锁相放大器(1)结构原理,(2)软件数字相敏检测(波形),4锁相放大器,4.3旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用(略)4.4.1旋转电容滤波器-开关电容,(1)基本结构,4锁相放大器,4.5锁相放大器的性能指标,(1)量程FS:满刻度输出时的输入电平,反映测量灵敏度,同增益有关(2)过载电平OVL:允许的输入最大噪音,应比FS要大很多;(3)最小可测信号MDS:输入能分辨的最小输入信号,测量值的下限(4)输入总动态范围:(5)输出总动态范围(6)动态储备,4锁相放大器,4.6锁相放大器的应用：自己查阅相关的资料，可作为大作业的一部分内容,习题:,1:锁相放大器的应用场合?同调制放大与解调之间的区别?2:锁相放大器的基本工作原理、构成及格组成部分的作用？,1:如何测量被噪声埋没了的信号？,在测量各种物理量（温度、加速度等）时，用传感器将其变换成为电信号，然后输入到分析仪器（测量仪器）中去。但是，仅想获得必要的信号是很难做到的。通常是连不必要的信号（也就是噪声）也一起被测量了。在各种情况下，噪声都有可能混进来。,噪声并不仅限于电信号也有包含在被测量的物理量中的情况。另外，根据不同场合，也出现噪声强度远远高出所需要的目的信号电平的情况。想要测量的信号越微弱，那么噪声就相对地越大。,结论:毫伏计也同时测量噪声。即使用数字万用表（DMM）来测量，也会得到与毫伏计相同的测量结果。但锁相放大器，能在比目的信号（1kHz正弦波）强1000倍的噪声中把目的信号几乎准确无误地检测出来。在测量埋没在噪声中的信号时，使用锁相放大器最为合适,2:为什么锁相放大器具有那么强的抗噪声能力？,锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因为很好地利用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间在性质上的差别。在这里，我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质，一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力。,白噪声的性质平坦的频谱在宽阔的频率范围内，该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。,用交流电压表所测量的电压值，与频带宽度无关，是上图中的V。,在正弦波上叠加了白噪声以后会怎么样呢?,即使白噪声与正弦波进行加法运算所得的信号，测量所得的电压对于频带宽度所具有的各种性质也不会有变化。所以，当带通滤波器的频带宽度变狭窄时，就会有以下结果：想要测量的信号的电平不变；白噪声的强度减小；交流声等频率不同的成分也当然被削弱。从以上这些结果可知，为了测量被噪声所掩埋的信号，应该将带通滤波器的频带宽度变窄。如果将频带宽度缩小到1/N，那么噪声就减小到1/N，而信号却不改变，其结果SN比（信噪比）改善为1/N。但是，这样的带通滤波器也是有一个限度的。,把带通滤波器与锁相放大器做一个比较。,锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器LPF）的截止频率来确定的。例如，在测量10kHz的信号时，如果使用1mHz的低通滤波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz1mHz的带通滤波器时的噪声抑制能力。如果换算成为Q值，就相当于5106。要想真正制造这样高的Q值的带通滤波器，那是不可能的。但是，使用锁相放大器，这就很容易实现了。如同前面所解说的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器（BPF）时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实现。由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。,需要进行相位调节。,如下图所示，PSD的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的相位差，而产生很大的变化。由此，低通滤波器（LPF）的输出信号（也就是锁相放大器测量所得到的值）也会产生变化。,除了相位差为0之外，在其他状