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1、微弱信号检测微弱信号检测4 锁相放大器锁相放大器4.1 概述概述 4.1.1 特点特点 锁相放大器相当于高锁相放大器相当于高Q值带通滤波器，值带通滤波器，采用一种特殊的方法，利用低通滤波器代替采用一种特殊的方法，利用低通滤波器代替带通滤波器，使带通滤波器，使“实际的实际的”带通滤波器的带通滤波器的Q值提高到值提高到107 左右，而且实现了一种特殊的左右，而且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。保持在测量频率上。14 锁相放大器锁相放大器4.1 概述概述 4.1.2 原理原理 24.2 理论基础理论基础 4.2.1 相关检
2、测原理相关检测原理 (1)自相关检测自相关检测3延迟延迟LPF4 锁相放大器锁相放大器4xi(t)与与ni(t)相互独立，则互不相关，因而为零。相互独立，则互不相关，因而为零。当当 xi(t)为白噪声、且为白噪声、且足够大时，足够大时，Rx()0。当当 ni(t)为振幅等于为振幅等于1的正弦信号，的正弦信号，4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.1 相关检测原理相关检测原理 (1)自相关检测自相关检测5延迟延迟LPFxi(t)与与ni(t)相互独立，则互不相关，因而为零。相互独立，则互不相关，因而为零。4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.1 相关检测原
3、理相关检测原理 (2)互相关检测互相关检测64 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.1 相关检测原理相关检测原理 (3)的选择的选择对于互相关检测，对于互相关检测，设被检测信号为正弦波设被检测信号为正弦波取取=0,Rn()具有最大值。具有最大值。4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成(相敏检测器相敏检测器PSD)(1)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器Phase Sensitive Demodulator 相位灵敏调解器相位灵敏调解器 相敏检测相敏检测 LPF 正弦波信号、正弦波参考正弦波信号、正弦波参考4 锁相放大器锁相放大器4
4、.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成 (1)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器 正弦波信号、正弦波参考正弦波信号、正弦波参考 幅频特性幅频特性LPF为一阶为一阶 RC 低通滤波器低通滤波器 幅频相频特性幅频相频特性4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成 (1)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器 正弦波信号、正弦波参考正弦波信号、正弦波参考 幅频特性幅频特性LPF为一阶为一阶 RC 低通滤波器低通滤波器 00|H()|0.7070-=1/RC4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成 (1
5、)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器 正弦波信号、正弦波参考正弦波信号、正弦波参考 幅频特性幅频特性LPF为一阶为一阶 RC 低通滤波器低通滤波器-3dB带宽（半边带）带宽（半边带）-6dB带宽（半边带）带宽（半边带）4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成 (1)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器 正弦波信号、正弦波参考正弦波信号、正弦波参考 相频特性相频特性4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成 (1)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器 正弦波信号、方波参考正弦波信号、方波参考LPF滤出滤出20的的
6、交流成分后交流成分后和频和频差频差频4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成 (1)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器 正弦波信号单频等幅噪声、正弦波参考正弦波信号单频等幅噪声、正弦波参考和频和频差频差频4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成 (1)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器 正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成 (1)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器 正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考
7、正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考主要噪声项主要噪声项4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成 (1)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器 信噪改善信噪改善(正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考)输入噪声功率输入噪声功率输入信号功率输入信号功率输出噪声功率输出噪声功率输出信号功率输出信号功率等效噪声带宽等效噪声带宽4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成 (1)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器 信噪改善信噪改善(正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考)若若
8、LPF为一阶为一阶 RC 回路回路（A01）4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成 (1)乘法器型相敏检测器乘法器型相敏检测器 正弦波信号窄带白噪声、方波参考正弦波信号窄带白噪声、方波参考加入输入带通滤波器加入输入带通滤波器4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成(相敏检测器相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器开关型相敏检测器(构成框图构成框图)(同乘法型同乘法型PSD间的区间的区别别)变压器倒相变压器倒相加模拟开关加模拟开关运算放大器倒运算放大器倒相加模拟开关相加模拟开关方波参考方波参考 Vr=14 锁
9、相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成(相敏检测器相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器开关型相敏检测器(波形图波形图)方波参考方波参考 Vr=14 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成(相敏检测器相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器开关型相敏检测器(基本器件与电路基本器件与电路)差分输出放大器差分输出放大器 单刀双掷模拟开关单刀双掷模拟开关HC4053 三单刀双掷模拟开关三单刀双掷模拟开关4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成(相敏检测器相敏检测器PSD)(2)开
10、关型相敏检测器开关型相敏检测器(基本器件与电路基本器件与电路)差分输出放大器差分输出放大器 单刀双掷模拟开关组合电路单刀双掷模拟开关组合电路(乘法乘法)方波参考方波参考4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.2 相关器构成相关器构成(相敏检测器相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器开关型相敏检测器(基本器件与电路基本器件与电路)IGFET单端输出集成运放组合电路单端输出集成运放组合电路(乘法乘法)方波参考方波参考4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁定放大器的组成锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成基本构成(1)信号通道信号通道 交流放大器交流放大器(低噪前置低噪前置AC放大
11、放大)带通滤波器带通滤波器4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁定放大器的组成锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成基本构成(1)信号通道信号通道 交流放大器交流放大器 带通滤波器带通滤波器(LPFHPF 原理图原理图)4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁定放大器的组成锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成基本构成(1)信号通道信号通道 交流放大器交流放大器 带通滤波器带通滤波器(LPFHPF 特性曲线特性曲线)4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁定放大器的组成锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成基本构成 (1)信号通道信号通道(2)参考通道参考通道(过零单稳触发过零单稳触发Ui移相移相Uo 方波形
12、成方波形成)移相器移相器4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁定放大器的组成锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成基本构成 (1)信号通道信号通道移相器及其时序移相器及其时序(2)参考通道参考通道RaRb，则，则 IbIa4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁定放大器的组成锁定放大器的组成 4.3.2 正交矢量型锁相放大器正交矢量型锁相放大器(1)基本原理基本原理4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁定放大器的组成锁定放大器的组成 4.3.2 正交矢量型锁相放大器正交矢量型锁相放大器(2)正交参考信号的产生正交参考信号的产生(原理图原理图)可用一片可用一片CD40184 锁相放大器锁相放大器4.3 锁定放
13、大器的组成锁定放大器的组成 4.3.2 正交矢量型锁相放大器正交矢量型锁相放大器(2)正交参考信号的产生正交参考信号的产生(时序图时序图)4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁相放大器的组成锁相放大器的组成 4.3.3 外差式锁相放大器外差式锁相放大器(1)结构原理结构原理特点：带通滤波器中心频率特点：带通滤波器中心频率 fI 恒定，特性稳定。恒定，特性稳定。4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁相放大器的组成锁相放大器的组成 4.3.3 外差式锁相放大器外差式锁相放大器(1)结构原理结构原理(2)PLL频率合成器频率合成器4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁相放大器的组成锁相放大器的组成 4.3.4
14、数字式锁相放大器数字式锁相放大器(1)结构原理结构原理特点：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。性强。还可以采用纯软件数字移相器，简化线路。4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁相放大器的组成锁相放大器的组成 4.3.4 数字式锁相放大器数字式锁相放大器 (1)结构原理结构原理(2)软件数字相敏检测软件数字相敏检测(波形波形)4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器旋转电容滤波器(1)基本结构基本结构4 锁相放大
15、器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器旋转电容滤波器 (1)基本结构基本结构(2)特性分析特性分析4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器旋转电容滤波器 (1)基本结构基本结构(2)特性分析特性分析传递函数传递函数时域时域频域频域频域频域时域时域4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器旋转电容滤波器 (1)基本结构基本结构(2)特性分析特性分析
16、幅频特性幅频特性相频特性相频特性4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器旋转电容滤波器 (1)基本结构基本结构(2)特性分析特性分析4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器旋转电容滤波器(3)等效噪声带宽等效噪声带宽Be=1.2337005501361698273Be1 4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例旋转电容滤波器应
17、用实例4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例旋转电容滤波器应用实例4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例旋转电容滤波器应用实例4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例旋转电容滤波器应用实例由于由于4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2
18、 旋转电容滤波器应用实例旋转电容滤波器应用实例由于由于在在 f0 及其各次谐波之外及其各次谐波之外频率为频率为 f0 的方波，可以通过旋转电容滤波器。的方波，可以通过旋转电容滤波器。4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例旋转电容滤波器应用实例m=imi4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例旋转电容滤波器应用实例m=imi当当 ,且且 m=i 4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中
19、的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例旋转电容滤波器应用实例f0方波方波4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例旋转电容滤波器应用实例输入信号中输入信号中m=l=1以外的谐波成分被以外的谐波成分被LPF滤除滤除 4 锁相放大器锁相放大器4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.3 旋转电容滤波器实用电路旋转电容滤波器实用电路实测实测B3dB0.32Hz4 锁相放大器锁相放大器4.4 同步积分器同步积分器 4.4.1 同
20、步积分器电路结构及性能同步积分器电路结构及性能+1-1p(t)4 锁相放大器锁相放大器4.4 同步积分器同步积分器 4.4.1 同步积分器电路结构及性能同步积分器电路结构及性能初始条件初始条件u(0)=04 锁相放大器锁相放大器4.4 同步积分器同步积分器 4.4.1 同步积分器电路结构及性能同步积分器电路结构及性能初始条件初始条件u(0)=04 锁相放大器锁相放大器4.4 同步积分器同步积分器 4.4.1 同步积分器电路结构及性能同步积分器电路结构及性能t 2RC 04 锁相放大器锁相放大器4.5 锁相放大器的性能指标与动态协调锁相放大器的性能指标与动态协调 4.5.1 锁相放大器的主要性能
21、指标锁相放大器的主要性能指标(1)量程量程FS(2)过载电平过载电平OVL(3)最小可测信号最小可测信号MDS(4)输入总动态范围输入总动态范围(5)输出总动态范围输出总动态范围(6)动态储备动态储备4 锁相放大器锁相放大器4.5 锁相放大器的性能指标与动态协调锁相放大器的性能指标与动态协调 4.5.2 锁相放大器动态范围与频率的关系锁相放大器动态范围与频率的关系仅用宽带放大仅用宽带放大使用使用BPF使用使用LPF使用使用BRF4 锁相放大器锁相放大器4.5 锁相放大器的性能指标与动态协调锁相放大器的性能指标与动态协调 4.5.3 锁相放大器的动态协调锁相放大器的动态协调OVLFSMDS高稳定
22、高稳定OVLOVLMDSMDS高储备高储备动态储备动态储备输出动态范围输出动态范围4 锁相放大器锁相放大器4.6 锁相放大器的应用锁相放大器的应用 4.6.1 阻抗微小变化的测量阻抗微小变化的测量Eu-uix(t)r(t)输入共模电压高输入共模电压高输入共模电压低输入共模电压低E4 锁相放大器锁相放大器4.6 锁相放大器的应用锁相放大器的应用 4.6.2 光吸收的测量光吸收的测量(斩波斩波/光锁定光锁定)分光光度计分光光度计PMT:Photo Multiplier Tube光电倍增管光电倍增管 自相关函数自相关函数等效噪声带宽等效噪声带宽 Be理想系统理想系统实际系统实际系统白噪声白噪声卷积定理卷积定理频移特性频移特性的证明的证明