锁定放大器设计

1、目前微弱信号检测仪器，极大部分都是在上述的这些方法指导下设计与研制的，大致可以分下列几类：锁定放大器相关检测（相干检测）它是目前最常用的仪器，适于对淹没在噪声背景中的正弦波或方波信号的检测。它的使用范围之广已遍及各个领域，使用十分普遍。取样积分器，多点信号平均器重复信号的时域平均这种仪器用于淹没在噪声背景中的信号波形的恢复。测量信噪比的提高，遵守法则。取样积分器适于快速信号波形的恢复，多点信号平均器适于低频信号的恢复。单道光子计数器，光学多通道分析器（oma）离散信号的统计处理方法这两种仪器用于极微弱光的测量。由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号的特征，使利用离散信息处理方法检测成为可能。单

2、道光子计数器是采用光电倍增管（pmt）作传感器，具有明显单光子峰，采用脉冲甄别计数技术，检测微弱光。光学多通道分析器（oma），采用光导摄象管等多路转换器件。配上微处理器处理，能得到x、y、t三维图像。具有时间分辨测量的能力，为动力学过程 的研究创造了条件。计算机处理的方法随着计算机应用范围的扩大，原来在微弱信号检测中一些需要用硬件完成的检测系统，可以用软件来实现。利用计算机进行曲线拟合，平滑，数字滤波，快速富里叶变换（fft）及谱估计等方法理信号，提高信噪比，实现微弱信检测的要求。光电实验的弱信号检测模块包括相关器和锁定放大器实验和多点积分器实验，分别介绍相关接收和同步积累这两种方法。相关器

3、和锁定放大器实验一、 实验目的（1）了解和掌握相关器、锁定放大器工作原理；（2）测定相关器的性能和输出特性；（3）*观察相关器对倍频干扰的抑制作用，观察并测定相关器对倍频干扰的抑制性能；（4）*掌握双相锁定放大器工作原理，并测试双相锁定放大器的输出特性；二、 锁定放大器和相关器的工作原理在非电量（如光强、速度、温度、压力等信号）的电测量过程中，需要用传感器把被测物理量转换成电信号即被测信号，送到测量放大器进行处理。在这一过程中各种干扰、噪声信号等杂乱信号也一并混在被测信号中，被测信号越微弱，杂乱信号相对就越大，测量放大器输出信噪比就越小，当被测信号十分微小、杂乱信号足以在放大过程中淹没被测信号

4、时，常规放大器已经无法胜任被测信号的检测放大工作，必须用特殊的方法，锁定放大器就是专门在杂乱信号背景中对传感器输出的微弱的被测信号进行检测提取的仪器。锁定放大器的使用几乎是与调制过程连在一起的。使用锁定放大器时，一般先用一个已知频率的参考信号对传感器输出的被测信号进行调制，作为锁定放大器的输入信号，调制的目的就是赋予被测信号与参考信号的相关性，而杂乱信号不具备这种相关性，锁定放大器根据这种相关性甄别输入信号和杂乱信号，并据此把输入信号还原为调制前的被测信号，提取被噪声和干扰淹没的测量结果。对传感器输出信号进行调制的方法是多种多样的，很多情况是结合传感器的工作原理进行的，例如光学测量中，对被测光

5、的光强进行斩光调制，使被测光强与环境干扰光强产生区别，传感器输出中既有被调制后的与调制信号严格相关的被测信号，又有环境光产生的杂乱信号，锁定放大器也能通过相干检测的方法提取被测信号。数学上可以证明利用输入信号与参考信号的相关性进行检测的方法可以把信噪比提高到常规方法难以想像的程度，在这种方法中，信噪比的提高主要取决于相关器中的低通滤波器的时间常数和调制频率，调制频率越高，被测信号变化越缓慢，则可以用时间常数越长的滤波器把信噪比做的越高，这一优点使凡是可以对传感器的原始信号进行调制的场合，一般都用锁定放大器进行信号检测，因此锁定放大器是目前微弱信号检测的最主要的方法之一。锁定放大器的输入信号是频

6、率为调制频率的交流信号，而输出端为直流缓变的被测信号，输入是交流输出是直流，输出信号是输入信号中的被测信号成分。由于传感器信号经调制后的交流信号频率固定，这样可以避免使用直流放大器，采用窄带交流放大器，采用窄带交流放大器可以降低成本、避免直流温漂和时漂、降低噪声，提高共模抑制比、抑制噪声和干扰，带来了一系列优点。锁定放大器的关键是在还原调制前被测信号的过程中利用输入信号与参考信号的相关性进行相敏检波，它的技术核心是相关器。锁定放大器基本原理框图如图1所示。图中经参考信号调制的传感器输出作为锁定放大器的输入信号被送到信号通道进行阻抗匹配、幅度匹配和交流窄带放大，信号通道采用成本相对低廉的交流窄带

7、放大器；参考信号通过参考通道触发整形、移相加工形成单位对称方波；相关器通过把输入信号与参考信号相乘后再积分的办法，抑制各种噪声和干扰，提取信号中与参考信号相关的成分，把它还原传感器输出的被测信号。相关器是锁定放大器的核心部件，也是本次实验的重点内容。交流窄带放大器滤波器调制后的传感器输出信号输入参考信号信号通道（阻抗匹配、滤波、放大）相关器（相敏检波psd）dc输出参考通道传感器参考信号发生器被测物理量信号检测与调制部分锁定放大器部分整形移相、输出单位对称方波psd输出图1 锁定放大器基本原理框图（1）信号通道信号通道位于相关器之前，由灵敏度和阻抗匹配电路、低噪声前置放大器，窄带交流放大器等部

8、分组成。作用是放大微弱的输入信号，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器的动态范围。信号通道要求低噪声和高增益的性能，扩大仪器的动态范围。信号通道要求低噪声和高增益的性能，前置放大器是锁定放大器的第一级，由于输入信号很小，可能是100nv到10nv甚至更小，则要求前置放大器必须具备低噪声的特点。否则将由于放大器本身的噪声将使信号淹没得更深。由于半导体低噪声器件不断改善和对低噪声电路的研究，目前国内外已生产出输入端短路噪声电压为几的前置放大器，目前已研制出输入端短路噪声电压也能达到小于数量级。在测量中对于不同测量要采用不同的传感器，各种传感器的输出阻抗不一样，即对前置放大器而言就呈现出不同的信

9、号源内阻。为了得到最佳噪声性能，必须使前置放大器工作在最佳信号源内阻的条件下。这样必须要设计不同最佳信号源内阻的前置放大器或采用输入变压器匹配，使放大器满足在最佳信号源内阻的条件下工作，使噪声性能最佳。另外，还必须考虑前置放大器具备有足够的放大倍数（100或1000倍），强的共模抑制能力，较大的动态范围等。信号通道中的有源滤波器，有时也称相关器前有源滤波器，这是为了便于和相关器中的低通滤波器不相混淆而取的名称。滤波器要根据干扰和噪声的不同类型可以采用带通、高通、低通、带阻带陷波等不同形式，或几种同时使用。有源滤波器通常也具有放大能力，如果滤波器放大倍数还不够，就要在相关器前再加入交流放大器。近

10、代锁定放大器技术中一般把有源滤波与交流放大组合为完整的窄带交流放大器。现代的放大器技术均采用模拟集成运算放大器，常用的有ad公司的op系列低漂移运放如op-07,美国国半的lm系列等，可以使放大器的设计简化，成本降低。（2）参考通道相关接收除了输入信号外，需要有参考信号送到乘法器中，因此，参考通道是锁定放大器区别于一般仪器不可缺少的一个组成部分。它把与输入信号同步的参考信号送给相关器。通常锁定放大器的参考通道输出是和输入信号同步的对称方波，用以去驱动相关器的场效应管或集成模拟开关。参考通道主要是触发电路、相移电路、方波形成电路和驱动级等几部分组成。和输入信号同步的参考触发信号，可以是仪器内部产

11、生或外部输入。大部分产品外部输入，输入波形可以是正弦波、方波、三角波、脉冲等各种波形的周期信号。一般情况下，参考信号和调制信号为同一信号的两种表现形式，这样才能确保输入信号与参考信号的相关性。为了可以改变输入信号与参考信号的相位关系，需要有相移电路，相移电路是参考通道的主要部件，它的功能是改变参考通道输出方波的相位，要求在360内可调。锁定放大器的相移部分由一个0100连续可调的相移器，以及相移量能跳变90、180、270的固定相移器组成，从而达到360范围内都能调的任何相移量。对于相移器的相移精度以及相移频率响应都有一定的要求。方波形成电路的作用是把相移器送来的波形变成同步的占空比严格为11

12、的单位方波。（为了仰制偶次谐波必须占空比严格为11）。驱动级把方波变成一对相位相反的方波，用以驱动相关器中的模拟开关，根据开关对驱动电压的要求，驱动级输出一定幅度的方波电压给相关器。参考通道一般由集成的ttl或cmos数字电路组成。需要考虑的是数字电路与模拟电路的电平接口匹配。（3）相关器相关器是锁定放大器的核心部分，利用参考信号与输入信号的相关性实现从噪声和干扰中提取被测信号的工作，只有输入信号中与参考信号相干的成分在输出信号中有很好的表达，杂乱不具备这种相关性而被抑制。图2就是一个典型的用于锁定放大器中的相关器电原理图：vbvar1roco积分器乘法器v1图2、典型的相关器原理图v0psd

13、输出vb1下面重点讨论相关器工作原理。相关器的输出可通过数学求解。 设是输入信号，它可以是经调制后的传感器信号，也可以是反映在输入端的杂乱信号，当是经调制后的传感器信号时，就是调制前的传感器信号（被测信号）。一般为正弦波。是参考信号，是频率为的、占空比和幅值均为1的单位对称方波，乘法器一般由相敏检波器（也称psd）构成，其输出可以表达为：vb高电平时输出v1=va,vb低电平时v1=-va,， 单位对称方波可以用富氏级数展开为奇次谐波之和，因此、可以表示为：其中是输入信号与参考信号的相位差。v1为va与vb的乘积，vo为v1的积分，忽略高次项后有：式中：该式就是相关器在输入和作用下的输出响应。

14、当为的整数倍时，设1，当为奇数且时，有输出为 ，即输入信号频率为参考信号频率的奇数倍时相关器有输出且输出被衰减倍，进一步分析可知随着频偏增大即为其它值时，输出迅速降低为零，相关器无输出，相关器表现为高q值带通滤波器，对混在输入信号中的杂乱信号有极强的抑制作用。2，当时有 ，表示输入信号与参考信号频率相同，此时有 其中 ，（负号代表是反相输入，不影响输出绝对值），证明相关器是以参考信号频率为匹配参数的匹配滤波器，因此能在其它信号混合中检测提取和参考信号同频的输入信号。图a是时相关器各点输出，仔细看懂下图有助于理解相关器工作原理： 图a由（）式可知，相关器直流输出随发生很大变化：当时输出直流有最大

15、值，此时输出信号为输入信号幅值的倍,由于，被测信号与参考信号极性同步翻转，被测信号为正时 ，被测信号为负时，这种情况类似于检波器，低通滤波器lpf对检波后的信号进行滤波；时输出为零； 被调制后的传感器信号与参考信号是相干的，因此有固定的值，通过移相电路使，可获得输出为 ，可见输出反映了输入信号的幅值，正是被测信号。移相电路的作用就是使，因此移相器是锁定放大器中不可或缺的部分。3，当/为偶数或非整数时，随时间衰减为另，时间常数是 。4，如果将参考信号相位移动，送到另一个相关器中，组成双相锁定放大器，两个相关器的输出正交，从两个相关器输出可求出被测信号以及相位差。此时无需电路实现相对复杂的移相器。

16、杂乱信号与参考信号是不相干的，因此不断地变化，没有固定的值， 在乘法器输出中这种信号时大时小，时正时负，被其后的低通滤波器滤除，能通过的杂乱信号取决于低通滤波器的时间常数亦即相关器时间常数。 5，由于相关器时间常数为 ，根据噪声性质以及带宽的定义可知：基波噪声带宽为： ；总噪声带宽为： 等效信号带宽为： 以上（3）、（4）、（5）式也是锁定放大器的基波噪声带宽、总噪声带宽和等效信号带宽。为了对锁定放大器的抑制噪声能力有一个定量的了解。根据实际仪器假设几个数据，求出锁定放大器的信号带宽和噪声带宽。目前国内外的产品，由面板可控制的时间常数，最大值为300秒，（此时通过的被测信号时间常数要大于秒），

17、即t1=roco=300秒，代入（4）和（5）式，求得：这些和的数值表明，锁定放大器具有十分窄的信号带宽和噪声带宽。如果工作频率fs为10khz，这时，相当的带通放大器的q值： 这样高q的带通滤波器，是常规带通滤波器所不能达到的。但对于锁定放大器，不必担心这样高的q值会由于元件的环境温度，工作频率，工作环境的变化带来不稳定。因为相关器只是等效于带通滤波器，而不是一个真正的带通滤波器。如果真的有一个q=108的带通放大器，很可能由于元件、信号源频率等稳定性问题，而使实际系统无法工作。这里的锁定放大器，信号和参考信号严格相关同步，相当于一个“跟踪”滤波器，也就不存在频率的稳定性问题。关键是“跟踪”

18、两字。等效q值是由低通滤波器的时间常数决定的，元件的稳定性只不过影响带宽而已，不会导致电路失谐，常规带通放大器的缺点这里不存在。对锁定放大器仰制噪声的能力做一个估算，由于白噪声电压和噪声带宽平方根成正比，设仪器输入级等效噪声带宽，相关器的输出等效噪声带宽由上述假设的数据为，可以求得电压输出信噪比和电压输入信噪比的关系。（）式表明相关器可使电压信噪比提高一万多倍。功率信噪比提高了80分贝以上。这些数据充分表明，采用相关器技术设计的锁定放大器，具有很强的仰制噪声能力。（）式表明，锁定放大器的输出为直流电压，并正比于输入信号的幅值和与参考信号之间的相位差的余弦的乘积成正比。改变参考信号和被测信号之间

19、的相位差，可以求得输入信号的振幅和相位。在结束这一节之前，对于锁定放大器的名称作一说明。锁定放大器（lock in amplifier）的“锁定”两字，是指仪器有响应的信号频率锁定在参考频率上，参考频率可以是仪器内部产生或由外部输入信号触发。但是，有一点必须指出，锁定放大器和一般的带通放大器不同，输出信号并不是输入信号的简单放大，而是输入交流信号输出直流，这并不符合常规放大器的定义，锁定放大器的通道部分是放大器，而相关器本质上起同步检测作用，相关器的放大作用不是主要的，锁定放大器命名为“锁定检测仪”或“同步检测仪”可能更确切一些，或命名“锁定分析器”更好。实验内容：1,仪器：（a）双踪通用示波器 1台（b）微弱信号检测技术实验综合装置相关器插件盒