第四章锁相放大器

1、整理ppt微弱信号检测微弱信号检测整理ppt4 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。1整理ppt4 锁相放大器锁相放大器4.1 概述概述 4.1.2 原理原理 2整理ppt4.

2、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)()()()()()()()()(nxxnnxiiiifRRRRtntxtntxER)()()(tntxtfiii)(fR)(tfi3延迟延迟LPF4 锁相放大器锁相放大器整理ppt)()()()()()()(nxnxxnnxfRRRRRRR4xi(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。)cos()(21nR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

3、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整理ppt)()()()()()(nnxiiinfRRtntxtnER)()()(tntxtfiii)(nfR)(tni5延迟延迟LPF)(tnixi(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 相关检测原理相关检测原理 (2) 互相关检测互相关检测整理ppt64 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021)cos()(nR,时时当当

4、21 k对于互相关检测，对于互相关检测，)()()()(nnnxnfRRRR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。整理ppt4 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)(tnPhase 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)(tr)(tup0u)cos()(tVtns0)cos()(tVtrr0cos)cos()()()(tVVtrtntursp0221cosrsVVu

5、210 正弦波信号、正弦波参考正弦波信号、正弦波参考整理ppt4 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)cos()cos()(tVtVtnsss0211)(| )(|RCjH)cos()cos()()()(ttVVtrtntursp0221)(tanRCarc 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)cos()(.)(tRCVVturs20150整理ppt4 锁相放大器锁相放大器4.2 理论基础理论基础 4.2.

6、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211)(| )(|RCH 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)cos()(.)(tRCVVturs20150 00 |H()|0.7070-=1/RC整理ppt4 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RCRCRC11112122)()( 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RCRCRCRC73

7、2133112122.)()(-3dB带宽（半边带）带宽（半边带）-6dB带宽（半边带）带宽（半边带）整理ppt4 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 相频特性相频特性整理ppt4 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1010121214mmrstmmVtrtVtn)cos()()()cos()()cos()()(cos)()(tmmVVtmmVVtumrsmrsp0101

8、21212221212 正弦波信号、方波参考正弦波信号、方波参考cos)(rsVVtu20LPF滤出滤出20的的交流成分后交流成分后和频和频差频差频整理ppt4 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ttrtVtVtxtntfxxs00cos)()cos()cos()()()()cos()(cos)(coscos)()()(tVtVtVVtrtftusxsxssp00022222 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cos)(20sVtu整理ppt4 锁相放大器

9、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)()cos()()()(txtVtxtntfs020NSx)(0B)(cos)()(tttAtxx)()()(txtxtAsc22)()(tan)(txtxtcsarcttxttxtxxsxcsin)(cos)()()(cos)()(ttAtxc)(sin)()(ttAtxstVtrr0cos)(整理ppt4 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

10、乘法器型相敏检测器ttxttxtxxsxcsin)(cos)()( 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tVtrtxtVtfrs00cos)()()cos()(ttxVttxVttxVttxVtVVVVtVtxtVtftrtuxsrxsrxcrxcrrsrsrsp)sin()(.)sin()(.)cos()(.)cos()(.)cos(.cos.cos)()cos()()()(00000005050505025050主要噪声项主要噪声项0( )0.5( )cos ()( )0.5( )rxrx tV A tttV xtwwj =-+=整理ppt4 锁相放大器锁相放大

11、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BNVPPSNRsxinii022 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)2oieSNRBSNIRSNRB=)cos()sin()(002 fBBBNRxBNRPxxi00 )(输入噪声功率输入噪声功率221sniVP输入信号功率输入信号功率输出噪声功率输出噪声功率erxBNVP02082281rsnoVVP输出信号功率输出信号功率esxonooBNVPPSNR02等效噪声带宽等效噪声带宽)(.)()(cos)(.)(txVtttAVtxrxr

12、50500整理ppt4 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)BRCSNRSNRSNIRio4dRCBe0211)(RCBe2211)(| )(|RCH若若LPF为一阶为一阶 RC 回路回路（A01）整理ppt4 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101121214mmrtm

13、mVtr)cos()()(101121212mxmrttmmtAVtx)()(cos)()()(加入输入带通滤波器加入输入带通滤波器整理ppt4 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=1整理ppt4 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

14、) 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=1整理ppt4 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整理ppt4 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

15、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)方波参考方波参考整理ppt4 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)方波参考方波参考整理ppt4 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放大放大) 带通滤波器带通滤波器整理ppt4 锁相

16、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)整理ppt4 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)整理ppt4 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 方波形成

17、方波形成)移相器移相器整理ppt4 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 IbIaCIITabb)(TTb360整理ppt4 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)cos()(tVtfs)sin()cos(tt222QIVssincosSSVQVI2121整理ppt4 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

18、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CD4018整理ppt4 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(时序图时序图)整理ppt4 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。整理ppt4 锁相放大器锁相放大器4.3 锁相放大

19、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整理ppt4 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。整理ppt4 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

20、构原理(2) 软件数字相敏检测软件数字相敏检测(波形波形)整理ppt4 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tmjmmmemtptmmtp01211011212121214)()()()cos()()(整理ppt4 锁相放大器锁相放大器tmjmemtitptiti01211212)()()()()()(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1

21、01101121214121214mmmmtmmtItmmtitptiti)cos()()cos()cos()()()()()(minRCjRZRCRZ112)()()(11210012114mtmjmemRCjtiRZtitV)()()()()()(整理ppt4 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11RIURtitVii)()()()(2) 特性分析特性分析0111012111214)()()()()(mRCjmRRUUHmmi101011210121211412

22、1140mmmtmjmmmIRCjRUemtiRCjRtV)()()()()()()()(RCmjmRRHmm011112111214)()()(传递函数传递函数时域时域频域频域频域频域时域时域整理ppt4 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 2201112111214RCmmRRHm)()(RCm012)(arctan)()()()()()(jmmeHRCmjmRRH011112111214幅频特性幅频特性相频特性相频特性整理ppt4 锁相

23、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 2201112111214RCmmRRHm)()(104RRH)(RC arctan)(021112111214)()(mRCmRRHm12141210mRRmH)(整理ppt4 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 dRCmmdHABme2201202020121112121)

24、()()( 2201112111214RCmmRRHm)()(120021211122medRCmmB)()(RCBe1为双极性为双极性1221288121emeBRCRCmB)(RCmBem2121)(Be=1.23378273Be1 整理ppt4 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整理ppt4 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)cos()()(tUKt

25、xKtVssA1111101121212121214lrlDmmBtlltVtlmtV)cos()()()cos()()(10111211011121211212116121214mmlrlssDCEmmssBACtmmtlltUKtVtVtVtmmtUKtVtVtV)cos()()cos()()cos()()()()cos()()cos()()()(整理ppt4 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101212110121101212112121121211612121161

26、21211212116mmlrlssmmrssEmmlrlrssEtmmtlltUKtmmttUKtVtmmtllttUKtV)cos()()cos()()cos()cos()(cos)cos()()cos()()cos()(cos)cos()(整理ppt4 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1012121101211212112212181212128mmlsslsmmssEtmmtltllUKtmmtUKtV)cos()()(cos)cos()()cos()(cos)co

27、s()(rs由于由于整理ppt4 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101212110110121121211221218121212121218mmlsslsmmsmmsEtmmtltllUKtmmttmmUKtV)cos()()(cos)cos()()cos()()cos()cos()(cos)(rs由于由于在在 f0 及其各次谐波之外及其各次谐波之外)()cos()(cos)(HtmmUKtVmmsF10121121218频率为频率为 f0 的方波，可以通过旋转电容滤波

28、器。的方波，可以通过旋转电容滤波器。整理ppt4 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120112111214iRCiiRRH)()(10121121218mmsEmmUKV)()(cos)(1201013112111211212132imsEFRCiimmRURKHVV)()(cos)()()(1021121218msEmmUKV)(cos)(m=imi整理ppt4 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

29、旋转电容滤波器应用实例旋转电容滤波器应用实例coscoscos)(11213112131483212132RRUKRURKiRURKVssisFm=imi012)(i当当 , 且且 m=i 1201013112111211212132imsFRCiimmRURKV)()(cos)(整理ppt4 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1201013112111211212132imsFRCiimmRURKV)()(cos)(101121214llBllV)()()(10121214

30、lBllV)()(10101201221212121412121412111218mlisFBGmmllRCiiRUKRKKVVV)()()(cos)()()(f0方波方波G整理ppt4 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 12012211211121844isGRCiiRUKRKV)(cos)(10101201221212121412121412111218mlisFBGmmllRCiiRUKR

31、KKVVV)()()(cos)()()(G整理ppt4 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Hz31801dB3.RCB实测实测B3dB0.32Hz2211dB3dB3dB3BRCfRC21112dB3dB3RC整理ppt4 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)()(tpItI12iiHtmjmmmemtmmtp01211011212121214)()()sin()()()()(tpItI12iiL)(

32、)(tpRtR12H)()(tpRtR12L+1-1p(t)sin()(tItIm整理ppt4 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iHH0H0ddIRtuttuC)()()()(tpItI12iiL)()(tpRtR12H)()(tpRtR12LiH0HH011ddICtuCRttu)()()()(tpItI12iiLiL0LL011ddICtuCRttu)()(初始条件初始条件u(0)=0整理ppt4 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101

33、121214mmtmmtp)sin()()()()(tpItI12iiL)()(tpRtR12H)()(tpRtR12LiH0HH011ddICtuCRttu)()()()(tpItI12iiL初始条件初始条件u(0)=0TRCTt041)()()cos()()(cos)(tuRClleRIRCltllRItuolRCtloL1202m1200mH1211212121121212)()()(tutptuH000122)(arctanmRC整理ppt4 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101121214mmtmmtp)sin()()()()()cos()()(cos)(tuRClleRIRCltllRItuolRCtloL1202m1200mH1211212121121212)()()(tutptuH