锁相放大器试验报告

1、广东第二师范学院学生实验报告院（系）名称物理系专业名称物理学（师范）实验课程名称 实验项目名称实验时间实验成绩班别11 物理 本四 B姓名学号02014年12月 25日实验地点指导老师签名近代物理实验锁相放大器实验 物理楼五楼实验室、实验结果与分析、实验心得内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）实验目的：锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相 关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。实验使用仪器与材料：ND-501 型微弱信号检测实验综合装置、相敏检波器、示波器、

2、接线及接线口若干。实验步骤：（ 一 ） 、实验仪器图 5 是 ND-501 型微弱信号检测实验综合装置的面板图，该装置把微弱信号检测技术的基本实验部件装在一个插件盒内，由一个能同时插四个插件盒的带电源的机箱，通过插入不同的实验部件盒组成不同类型的微弱信号检测仪器。多点信号平均器同步积分器交流直流噪声电压表125频率计1025多功能信号源宽带移相器相位计125低噪声前置放大器选频放大器有源低通、高通滤波器跟踪滤波器图 5 ND-501 型微弱信号检测实验综合装置（二）、锁相放大器的特性和工作参数测定本实验使用 ND-501 型微弱信号检测实验综合装置观察锁相放大器的特性并测量其工作参数。1kHz

3、0 100 相位调节按钮，用示波器观察宽带移相器0 、 90 、 180 、 270 对比画出宽带移相器的输入1、参考信号通道特性研究 调节多功能信号源的输出信号为正弦波，用频率计测量其频率，用交流直流噪声电压表测量信号的幅度，调节输出信号的频率为 左右，幅度大小为 100mV 左右。然后按图 6 所示接线，按下宽带移相器 0 移相按钮，调节 的输入和输出信号的波形的变化，最后使相位差计显示参考信号和输入信号的相位差分别为 和输出信号的波形。改变信号的幅值和频率，观察同相输出信号幅值和频率的变化，并做简要分析。 调节信号源，使输出波形分别为三角波和方波，重复上述观测。多功能宽带移相器信号源输出

4、同相输入输出相位计信号输入参考输入示波器CH1 CH2图 6 参考通道特性观测2、相敏检波器的特性研究及主要参数测量（1）相敏检波器 PSD 输出波形和电压测量1 秒，调节宽带移相器的相移量，用示波器观察信按图 7 接线，置交流放大倍数为 1，直流放大倍数为 10，相关器低通滤波时间常数置号、参考信号及 PSD 的输出波形并分析它们之间的关系，测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间幅值及相位差的关系，用相位 计测量 值大小，记录参考信号和输入信号的相位差分别为0 、90 、180 、270 时， PSD输出直流信号 udc在示波器上输出的波形。与图 1 比(2)相关器的谐波响应的测量与

5、观察将图 7 中宽带移相器的输入信号接至多功能信号源的“倍频 分频输出”，多功能信号源功能“选择”置“分频” ，此时，参考信号的频率 为信号频率的 1/n 次倍。先置分频数为 1，调节移相器的相移，使输出直流电压最大，记录输出直流电压的大小。改变n 的数值分别为 2，3，4，5 ，进行上述测量，根据测量结果画出相关器对谐波的响应图。(3)相关器对不相关信号的抑制按图 8 所示接线，多功能信号源的输出正弦信号为相关器的输入信号，低频信号源的输出信号作为相关器的干扰信号，由相关器的“噪 声输入”端输入。由示波器观察相关器的“加法器输出”波形与“ PSD 输出”波形，用电压表测量输入信号，干扰信号，

6、相关器输出信号大 小，由频率计测量信号和干扰信号的频率。选择相关器的交流放大倍数为 1，直流放大倍数为 10，时间常数 1 秒，调节多功能信号源的频率为 200Hz( 可以任选 )，电压为 100mV， 调节低频信号源的输出电压为 0(即相关器输入信号不混有干扰信号 ) ，调节宽带相移器的相移量，使相关器输出的直流电压最大。记录“加法 器输出”，“ PSD 输出”波形及相关器输出的直流电压 (正比于输入信号的有效值 )。调节低频信号源的输出电压为 300mV ，即干扰电压为待测 量信号电压的 3 倍。任选一工作频率 ( 例如为 930Hz)。由示波器观察“加法器输出” “PSD 输出波形”，观

7、测此时被测信号与干扰信号波形及相 关器的输出直流电压变化。改变干扰信号的频率，观察相关器对不相关信号的抑制能力，对实验现象进行总结，分析相关器抑制干扰的能力。多功能信号源正弦输出相关器加法信号输入器输噪声输入PSD 输出直流输出参考输入低频 信号源正弦输出流交流、直流输入干扰噪声电压表输入宽带移相器同相输出示波器CH1CH2图 8 相关器对不相关信号的抑制(4)相关器对噪声的抑制及等效噪声带宽 白噪声电压与带宽有关，通过高、低通滤波器可以组成一个已知带宽的带通滤波器来确定噪声带宽。对于二阶有源滤波器信号带宽fs 与等效噪声带宽 fN 关系为： fN=( /2) fs测试方框图如图 9 所示。白

8、噪声信号源通过高低通滤波器组成的带通滤波器的限制，使高通、低通滤波器的输出为已知等效噪声带宽的 噪声源，输给相关器的噪声，白噪声电压的大小由交流、直流、噪声电压表测量，在测量白噪声电压时，给出的是白噪声的均方根电压，注 意，只能用 2V 量程档测量噪声电压。高通，低通滤波器的高通截止频率选在250HZ ，低通滤波器的的截止频率选在 25kHz，则等效噪声带宽fN=( /2) fs=( /2) (25000-250)Hz = 39kHz。相关器选 KAC10，KDC10，T1秒。输入信号频率 fs1kHz，Vsi50mV ，先不加白噪声干扰信号。调节相移器的相移，使输入信号 与参考信号同相，并用

9、示波器观察“加法器输出”“PSD 输出”的波形，用电压表测量输出电压。白噪声信号由相关器“噪声输入”输入，作为干扰信号，用示波器观察“加法器输出”的信号与噪声相混的波形。调节白噪声信号源的 输出幅度或与高、低通滤波器的放大倍数相配合调节，使输入白噪声均方根电压为100mV。用示波器观察“加法器输出”信号与噪声相混的SNIR ，与公波形和“ PSD 输出”波形。用电压表测量相关器输出的信号电压和噪声电压，计算输出信号的信噪比，根据输入输出信噪比计算 式（12）计算的理论值比较。2V 量程档测量不同改变时间常数 T=和 T=10s，从示波器上观察直流输出信号的波形，比较不同时间常数下的信号波形，同

10、时可以利用 时间常数下的直流输出信号中的噪声电压，了解相关器对噪声的抑制能力。实验数据整理与归纳：1、参考信号通道特性研究利用多功能信号源输出正弦波，其频率为1000hz，电压大小为，调节相移器的 0 、90 、180 、270 移相按钮，示波器 ch1 通道是输入的正弦波形， ch2 通道输出的是通过移相器后的信号波形，记录如下： 表 1 移相器移动 0 、90 、180 、270 时的输入输出信号（正弦波）图像图 像相 位902701801）调节 0100相位调节旋钮，增大移相的角度时，波形没有变化，方波略向左移。当增大输入信号的幅值时， ch1 通道的输入信号图像会随着电压的增大振幅增大

11、，而ch2 通道的输出信号的幅度不变。当增大输入信号的频率时图像相位090图像相位180270图像相位090图像相位180270图像相090位出现以上现象的原因是：通常通过移相器产生的信号是与原信号同频率的占空比为的幅度而发生改变，但是移相器移动角度，会使所得方波发生移动。ch1 通道的输入信号图像和 ch2 通道的输出信号图像同时增大频率，而振幅不变2、相敏检波器的特性研究及主要参数测量的方波信号，方波的幅度为 1，不会随着输入信号表 2 移相器移动 0 、90 、 180 、 270 时的输入输出信号（三角波）表 3 移相器移动 0 、90 、180 、270 时的输入输出信号（方波）3）

12、当输入信号为方波时，输出信号为表22）当输入信号为三角波时，输出信号为表2（ 1）相敏检波器 PSD 输出波形和电压测量（ a）选择交流放大倍数 1,直流放大倍数 10，相关器低通滤波时间设置 1s，输出信号为正弦波时不同相位的波形如表4表 4相位差为 0 、90 、180 、270 时的 PSD输出波形（其中 0 与180 的 PSD信号相反， 90 和 270 的 PSD信号相反）差180270差的关系表 6 直流电压相 位2）测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间幅值及相位差图 10 直流电压 u dc 和 的曲线关系图 像/2265891120151179u dc/198211

13、235270300306330u dc表 5 在不改变输入信号的幅值情况下记录直流电压 u dc 和相位差 的大小cos( )u dcu dc 和 cos（ ）的关系， 为相位差的大小 （弧度制 ）图 11 直流电压 udc 和 cos（ ） 的关系图由表 5、表6、图10、图11可以看出，在不改变输入信号的幅值情况下直流电压u dc和相位差 成余弦关系， 而在=0 时直流电压 udc和输入电压 u 成正比例关系，可见 u dc =C u cos（）成立，其中 C 为比例系数。相关器就是实现参考信号和被测信号相关函数的电子线路，由乘法器和积分器组成。一种开关式乘法器即相敏检波器（PSD），积分

14、器即为 RC 低通滤波器。加在 PSD 上的被测信号和方波信号经过乘法，输出信号再经过低通滤波器后，交流部分会被滤去，只有直流部分会被输 出，且 u dc =C u cos（ ）。（3）相关器的谐波响应的测量与观察表 7 分频时数出直流电压值与分频时相关器对谐波的响应图n 值12直 流 电 压 值图 像n 值34直 流 电 压 值图 像n 值56直 流 电 压 值图 像n 值78直 流 电 压 值图 像示波器上的图像飘移示波器上的图像飘移从上表可见， 当分频时，参考信号的频率为信号频率的 1/n,且 n为偶数时，输出直流电压近于零， 而 n为奇数时，输出电压会有直流部分， 并且随着 n 的增大

15、，直流部分减小。这表明被测信号中的奇次谐波成分在输出信号中仍占有一定比例，或者说相关器对奇次谐波的抑制能力 有一定限度，并且随着奇数的增大，抑制能力越来越强。（ 4）相关器对不相关信号的抑制信号输入：频率，电压低频信号源：频率，电压（接近 0）相关器输出的最大直流电压为表 8 加法器以及 PSD 输出波形1） 在没有干扰信号时，相移器 0 ，直流输出电压 2）在有干扰信号时，干扰信号电压为，改变干扰信号的频率，观察输出信号的电压变化：（ a）在干扰信号频率近于 100Hz 时，输出信号直流电压在左右，输出波形较为稳定（ b）干扰信号频率接近 200Hz 时，输出波形较不稳定（ c）干扰信号频率

16、接近 300Hz 时，输出信号直流电压在 1. 016v 左右，输出波形较为稳定（ d）干扰信频率再增加，直流电压输出不变，每当频率为输入信号频率奇数倍时，信号较为平稳。 由以上实验现象可见，相关器对没有倍数关系以及有倍数关系并且倍数为偶数的不相关信号的抑制作用还是很明显的，直流电压输出近 于没有干扰信号时的直流电压输出。但是相关器对于有奇数倍数关系的不相关信号的抑制能力有一定限度，但是随着奇数倍的增大抑制能力 会增大，当倍数为 7、9 时，相关器几乎完全抑制此不相关信号。（5）相关器对噪声的抑制及等效噪声带宽输入信号电压 V si= ，输入信号频率 fs=加法器以及 PSD 输出波形见附的原

17、始实验数据（没有拍照）表 9 改变时间常数后噪声电压的改变情况时间常数 T/s110信号电压 /mV直流电压 /V噪声电压 /mV由上表可以看出，当时间常数增大时，噪声电压会减小，说明相关器在时间常数增大时对噪声的抑制会加强。当 T=1s 时，输出信号的信噪比为 3，输入信号的信噪比为，那么有信噪比改善I SNR =,而由于 I SNR=f ni ， fni =39khz， fno =7khz，那么理论值为，误差 %。通过以上的实验可知，对于噪声，在通过低通滤波器以及高通滤波器时，设置低通滤波器f的no截止频率稍高于定频， 高通滤波器的截止频率选在稍低于定频时，锁相放大器就可以最大限度的抑制噪声。通过以上的实验可知，对于噪声在通过低通滤波器以及高通滤波器时，设置低通滤波器的截止频率稍高于定频，高通滤波器的截止频率 选在稍低于定频时，锁相放大器就可以最大限度的抑制噪声。实验结果与分析：通过移相器会产生与原信号同频率的占