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1、检测微弱信号的核心问题是对噪声的处理，最简单、最常用的办法是采用选频放大技术，使放大器的中心频率f 0 与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但此法存在中心频度不稳、 带宽不能太窄及对等测信号缺点。后来发展了锁相放大技术。它利用等测信号和参与信号的相互关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。目前，锁相放大技术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。因此，培养学生掌握这种技术的原理和应用，具有重要的现实意义。1. 锁相放大器的工作原理1. 相关检测及相关检测器。所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）；如果它们的乘积对时间求平均 （积分）为零，刚表明
2、这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。 由于互相关检测抗干扰能力强， 因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。如果 f1(t)和 f2(t-)为两个功率有限信号， 刚可定义它们的互相关函数为(3.1.1) 令 f1(t)=V1(t)+n1(t)，f2(t)=V1(t)+n2(t)，其中 n1(t) 和 n2(t) 分别代表与待测信号 V1(t) 及参考信号 V2(t) 混在一起的噪声，则式（ 3.1.1 ）可写成（3.1.2 ）式中 Rsr( ) ，Rr2( ) ，Rr1( ) ，R12() 分别是两信号之间，信号对噪声及噪声之间的函数。由于噪声的频率和相位都是随机量，他们的偶尔出现
3、可用长时间积分使它不影响信号的输出。所以，可认为信号和噪声、 噪声和噪声之间是互相独立的，他们的互相关函数为零。于是式（ 3.1.2 ）可写成（3.1.3 ）上式表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。根据此原理设计的相关检测器见图（ 3.1.1 ）所示。它是锁相放大器的心脏。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 图 3.1.1 相关检测器通常
4、相关检测器由乘法器和积分器构成。乘法器有两种： 一种是模拟式乘法器：另一种是开头式乘法器，常采用方波作参考信号，而积分通常由RC低通滤波器构成。现在令式（ 3.1.3 ）中两个信号均为正弦波：等测信号为 Vs(t)=escost; 参考信号为 Vr(t-)=ercos(+)t+ . 在式中 r 为两个信号的延迟时间。它们进入乘法器后变换输出为V(t) ，即由原来以 为中心频率的频谱变换成以 及和频 2 为中心的两个频谱，通过低通滤波器（简称LPF ）后，和频信号被滤去，于是经LPF输出的信号为若两信号频率相同（这符合大多数实验条件），则=0，上式变为（3.1.4 ）式中 K是与低通滤波器的传输
5、系数有关的常数。上式表明， 若两个相关信号为同频正弦波时，经相关检测后， 其相关函数与两信号幅度的乘积成正比， 同时与它们之间位相差的余弦成正比，特别是当待测信号和参考信号同频同位相，即=0，=0 时，输出最大，即可见参考信号也参与了输出。 为保证高质量的检测， 参考信号必须非常稳定。 实际常用的参考信号Vr(t) 是方波。对于 Vr(t) 是方波的情况，相应采用开关式乘法器， 称为相敏检波器（简称 PSD ） 。可将它等效为按输入信号Vs(t) 的频率来改变极性的双刀掷开关（参见图10.2.2 ），此时可令名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -
6、- - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 当待测信号频率和参考信号基波相同时，即r=s，LPE的输出为,(3.1.5) 式中 k 仍是与 LPF传输系数有关的常数，式（3.1.5 ）表明，在 Vr(t) 为方波的情况，经相关检测后，其输出仅与待测信号的幅度es 成正比，与两信号的相位差 成正比。 如图 （3.1.2 ） 中 Vs(t) 和 Vr(t) 同时改变极性，则两者相位差 =0，则图 3.1.2 相敏检波器的等效开关电路V(t) 为全部“正”或“负”的脉动，否则V(t) 就是“正”或“负”交替的交流信
7、号。信号经 RC滤波后得到一定幅值的直流成分 Vo. 当 =0， 时，Vo最大； =/2 时 Vo=0.如图 3.1.3(a)(c)所示。当非同步的干涉信号进入 PSD后，得到如图 3.1.3(d)的波形。经 LPF积分后，平均值为零，得到抑制。这种等效的开关电路可用场效应管斩波器或晶体管开关电路来实现。理论上，由于噪声和信号不相关， 通过相关检测器后应被抑制，但由于 LPF的积分时间不可能无限大， 实际上仍有噪声电平影响， 它与 LPF的时间常数密切相关，通过加大时间常数可以改善信噪比。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -
8、- - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 图 3.1.3 相敏检波器的输出波形2、锁相放大器的基本组成。目前锁相放大器类型很多，但其基本组成只有三大部分，即信号通道、参考通道及相关检测器（参见图3.1.4 ）。图 3.1.4 锁相放大器的基本组成输入的交流待测信号与噪声一起进入信号通道，经低噪声前置放大器放大再通过高低通滤波，使噪声受到初步抑制，然后送入相敏检波器PSD ，以免 PSD 出现过载。参考信号进入参考通道后，一般也要经过放大、整形、移相等处理后再送入PSD与待测信号进行相关检测， 可以通过调节参考通道的移相器使参考
9、信号对输入信名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 号 之相位改变， 使参考信号与输入信号同相即=0时，相位被锁定， 从而抑制了不相干的噪声信号。 有些锁相放大器的参考通道中设置有跟踪电路，以保证在仪器的 工作范围内使参考信号与输入信号保持所需的相移值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -