楊建新 武銀蘭

(太原理工大學(xué)應(yīng)用物理系 山西 太原 030024)

鎖定放大器(LIA)使用在很多場(chǎng)合，它是一個(gè)以解調(diào)器為核心的微弱信號(hào)檢測(cè)儀器，在噪聲大于信號(hào)數(shù)千倍以上時(shí)仍能正常檢測(cè)．自從鎖定放大器問世以來，它獲得了快速發(fā)展，性能指標(biāo)有了很大提高.在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文、通信等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用．從LIA的工作原理看，它對(duì)環(huán)境噪聲的抑制能力可以達(dá)到無限大，實(shí)際上并不能做到這一點(diǎn)．G.T.Gillies提出LIA 的測(cè)量誤差是輸入信號(hào)信噪比(SNR)的函數(shù)[1]．文獻(xiàn)[2]認(rèn)為L(zhǎng)IA的最小可測(cè)電壓受交流通道的等效輸入噪聲等因素的影響．

本文對(duì)微弱信號(hào)及加了噪聲的微弱信號(hào)用鎖定放大器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明鎖定放大器具有良好的檢測(cè)微弱信號(hào)的功能，同時(shí)也具有良好的抑制噪聲的能力，

1 鎖定放大器的基本原理[3]

鎖定放大器是以相干檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，其核心部分是相關(guān)器，基本原理框圖如圖1所示．

圖1 鎖定放大器原理框圖

鎖定放大器的主要由三部分組成，即：信號(hào)通道(相關(guān)器前那一部分)、參考通道和相關(guān)器(包括直流放大器) .

1.1 相關(guān)器

相關(guān)器是鎖定放大器的核心部件．鎖定放大器中的相關(guān)器，通常采用圖2所示的形式，由一個(gè)開關(guān)式乘法器(×)與低通濾波器(LPF)組成．

圖2 鎖定放大器中的相關(guān)器

令圖2中輸入開關(guān)乘法器的被測(cè)信號(hào)UA(t)和參考信號(hào)UB(t)分別為

(1)

(2)

則開關(guān)乘法器的輸出信號(hào)為

U1(t)=UA(t)·UB(t)=

UAUBcos[(ωA+ωB)t+(φA+φB)]+

UAUBcos[(ωA-ωB)t+(φA-φB)]

(3)

可見開關(guān)乘法器的輸出由和頻ωA+ωB和差頻ωA-ωB兩部分組成．當(dāng)ωA=ωB或ωA在ωB附近時(shí)，則以低通濾波器組成的積分器取出差額分量來檢測(cè)信號(hào)．當(dāng)ωA=ωB時(shí)，低通濾波器LPF的輸出為

U0=KUAcosφ

(4)

式中K為總的放大倍數(shù)；UA為被測(cè)信號(hào)的大??；φ為被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差，即φ=φA-φB.

1.2 信號(hào)通道

信號(hào)通道是相關(guān)器前的一部分，由低噪聲前置放大器、各種功能的有源濾波器、主放大器等部分組成．其作用是把微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相關(guān)器工作的電平，并兼有抑制和濾掉部分干擾和噪聲，擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍．

1.3 參考通道

其作用是產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)同步的參考信號(hào)輸給相關(guān)器．通常鎖定放大器的參考通道輸出是和信號(hào)同步的對(duì)稱方波，用以驅(qū)動(dòng)相關(guān)器的場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)．

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 儀器

(1)雙蹤通用示波器一臺(tái)；

(2)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)綜合裝置.

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)連接電路,如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)電路圖

(2)接通電源，預(yù)熱2 min，調(diào)節(jié)多功能信號(hào)源使輸出頻率為1 kHz左右、電壓為100 mV的正弦波，調(diào)節(jié)ND-601型精密衰減器的衰減為1 000倍，前置放大器“增益”開關(guān)置×1 000擋，Q值置“3”，選頻頻率置“1 kHz”．相關(guān)器“交流放大倍數(shù)”置×10擋，“直流放大倍數(shù)”置×10擋．“時(shí)間常數(shù)”置1 s．

(3)調(diào)節(jié)選頻放大器的選頻頻率使輸出信號(hào)電壓最大．然后，改Q為“30”，重復(fù)調(diào)節(jié)選頻頻率，使輸出電壓最大，表明選頻放大器的諧振頻率為信號(hào)頻率．然后，改示波器觀察“PSD輸出”，調(diào)節(jié)寬帶相移器的相移，使相關(guān)器直流輸出為零，再把寬帶相移器的相移90°，這時(shí)相關(guān)器輸出直流電壓最大，即為鎖定放大器的輸出電壓．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)待測(cè)信號(hào)Ui=100 mV,f=1 000 Hz.無噪聲，如圖4所示.

圖4 無噪聲實(shí)驗(yàn)圖像

選頻放大器頻率

f=1 002 Hz

直流輸出

U0=8.78 V

輸入衰減器的電壓，即被測(cè)電壓

Ui=87.8 mVf=1 002 Hz

(2)待測(cè)信號(hào)Ui=100 mV,f=1 000 Hz,U噪=300 mV，如圖5所示.

圖5 有噪聲實(shí)驗(yàn)圖像

選頻放大器頻率

f=1 004 Hz

直流輸出

U0=8.12 V

輸入衰減器的電壓，即被測(cè)電壓

Ui=81.2 mV

f=1 004 Hz

從波形上講，有一定失真．

(3)在不同的噪聲幅度下，對(duì)更微弱信號(hào)Ui=10 mV,f=1 000 Hz的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如下表1所示.

表1 不同噪聲下的輸出結(jié)果

4 結(jié)論

鎖定放大器可以對(duì)一個(gè)微小信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，不但可以進(jìn)行幅度的測(cè)量，也可以進(jìn)行頻率的測(cè)量， 由于放大倍數(shù)不一定十分精確，測(cè)量結(jié)果有一定偏差．對(duì)同一個(gè)大小的輸入信號(hào)，隨著噪聲的增加，輸出有一定減小，波形失真也會(huì)逐漸加大，說明鎖定放大器對(duì)小噪聲有一定抑制能力，對(duì)過大的噪聲，輸入信號(hào)將被淹沒．

參考文獻(xiàn)

1 Gillies G T，Allison S W. Precision Limits of Lock-in Amplifiers below Unity Signal-to-noise Ratios.Rev Sei Instrum,1986, 57(2): 268～270

2 戴逸松. 鎖定放大器的最小可測(cè)電壓分析. 數(shù)據(jù)采集與處理, 1996, 11(2): 99～102

3 唐鴻賓.微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù).南京:南京大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系，微弱信號(hào)檢測(cè)中心,2002.98～100