锁相放大器实验报告

广东第二师范学院学生实验报告院（系）名称物理系班别11物理姓名专业名称物理学（师范）本四B学号115506020实验课程名称近代物理实验实验项目名称锁相放大器实验实验时间2014年12月25实验地址物理楼五楼实验室实验成绩日指导老师署名内容包括：实验目的、实验使用仪器与资料、实验步骤、实验数据整理与概括（数据、图表、计算等）、实验结果与剖析、实验心得实验目的：锁相放大器能够理解为用噪声频带压缩的方法，将轻微信号从噪声中提拿出来。本实验经过丈量锁相放大器的工作参数和特征，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。实验使用仪器与资料：ND-501型轻微信号检测实验综合装置、相敏检波器、示波器、接线及接线口若干。实验步骤：(一)、实验仪器图5是ND-501型轻微信号检测实验综合装置的面板图，该装置把轻微信号检测技术的基本实验零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，经过插入不一样的实验零件盒构成不一样种类的轻微信号检测仪器。有关器沟通直流多点信号同步电噪声电压表均匀器积分器源1．25频次计多功能宽带移相器相位计电1025信号源125源有源电低噪声选频低通、高通追踪源前置放大器放大器滤波器滤波器图5ND-501型轻微信号检测实验综合装置(二)、锁相放大器的特征和工作参数测定本实验使用ND-501型轻微信号检测实验综合装置察看锁相放大器的特征并丈量其工作参数。1、参照信号通道特征研究调理多功能信号源的输出信号为正弦波，用频次计丈量其频次，用沟通直流噪声电压表丈量信号的幅度，调理输出信号的频次为1kHz左右，幅度大小为100mV左右。而后按图6所示接线，按下宽带移相器0移相按钮，调理0~100相位调理按钮，用示波器察看宽带移相器的输入和输出信号的波形的变化，最后使相位差计显示参照信号和输入信号的相位差分别为0、90、180、270对照画出宽带移相器的输入和输出信号的波形。改变信号的幅值和频次，察看同相输出信号幅值和频次的变化，并做简要剖析。调理信号源，使输出波形分别为三角波和方波，重复上述观察。1多功能宽带移相器相位计示波器信号源信号输入CH1CH2同相输出输入输出参照输入图6参照通道特征观察2、相敏检波器的特征研究及主要参数丈量(1)相敏检波器PSD输出波形和电压丈量按图7接线，置沟通放大倍数为1，直流放大倍数为10，有关器低通滤波时间常数置1秒，调理宽带移相器的相移量，用示波器察看信号、参照信号及PSD的输出波形并剖析它们之间的关系，丈量有关器输出直流电压大小与信号、参照信号之间幅值及相位差的关系，用相位计丈量值大小，记录参照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比较，剖析有关器的原理。多功能有关器PSD沟通、直流信号源信号输入输出噪声电压表输出参照输入直流输出输入宽带移相器相位计示波器同相输入输出图7有关器

信号输入CH1参照输入PSD波形观察(2)有关器的谐波响应的丈量与察看将图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，参照信号的频次为信号频次的1/n次倍。先置分频数为1，调理移相器的相移，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，进行上述丈量，依据丈量结果画出有关器对谐波的响应图。(3)有关器对不有关信号的克制按图8所示接线，多功能信号源的输出正弦信号为有关器的输入信号，低频信号源的输出信号作为有关器的扰乱信号，由有关器的“噪声输入”端输入。由示波器察看有关器的“加法器输出”波形与“PSD输出”波形，用电压表丈量输入信号，扰乱信号，有关器输出信号大小，由频次计丈量信号和扰乱信号的频次。选择有关器的沟通放大倍数为1，直流放大倍数为10，时间常数1秒，调理多功能信号源的频次为200Hz(能够任选)，电压为100mV，调理低频信号源的输出电压为0(即有关器输入信号不混有扰乱信号)，调理宽带相移器的相移量，使有关器输出的直流电压最大。记录“加法器输出”，“PSD输出”波形及有关器输出的直流电压(正比于输入信号的有效值)。调理低频信号源的输出电压为300mV，即扰乱电压为待测量信号电压的3倍。任选一工作频次(比如为930Hz)。由示波器察看“加法器输出”“PSD输出波形”，观察此时被测信号与扰乱信号波形及有关器的输出直流电压变化。改变扰乱信号的频次，察看有关器对不有关信号的克制能力，对实验现象进行总结，剖析有关器克制扰乱的能力。2多功能有关器加法示波器信号输入信号源器输CH1噪声输入PSD输出正弦输出参照输入直流输出CH2低频直流宽带移相器信号源频次计沟通、直流同相噪声电压表正弦输出输入输出输入输入信号扰乱图8有关器对不有关信号的克制(4)有关器对噪声的克制及等效噪声带宽白噪声电压与带宽有关，经过高、低通滤波器能够构成一个已知带宽的带通滤波器来确立噪声带宽。关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。白噪声信号源经过高低通滤波器构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，输给有关器的噪声，白噪声电压的大小由沟通、直流、噪声电压表丈量，在丈量白噪声电压时，给出的是白噪声的均方根电压，注意，只好用2V量程档丈量噪声电压。高通，低通滤波器的高通截止频次选在250HZ，低通滤波器的的截止频次选在25kHz，则等效噪声带宽fN=(/2)fs=(/2)(25000-250)Hz=39kHz。多功能有关器加法器示波器信号输入信号源输出CH1噪声输入PSD输出正弦输出噪声输出参照输入直流输出CH2直高、低通宽带移相器频次计流沟通、直流滤波器噪声电压表同相输入输入交输入输入输出输出流白噪声图9有关器对噪声的克制有关器选KAC＝10，KDC＝10，T＝1秒。输入信号频次fs＝1kHz，Vsi＝50mV，先不加白噪声扰乱信号。调理相移器的相移，使输入信号与参照信号同相，并用示波器察看“加法器输出”“PSD输出”的波形，用电压表丈量输出电压。白噪声信号由有关器“噪声输入”输入，作为扰乱信号，用示波器察看“加法器输出”的信号与噪声相混的波形。调理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当合调理，使输入白噪声均方根电压为100mV。用示波器察看“加法器输出”信号与噪声相混的波形和“PSD输出”波形。用电压表丈量有关器输出的信号电压和噪声电压，计算输出信号的信噪比，依据输入输出信噪比计算SNIR，与公式(12)计算的理论值比较。改变时间常数T=0.1s和T=10s，从示波器上察看直流输出信号的波形，比较不一样时间常数下的信号波形，同时能够利用2V量程档丈量不同时间常数下的直流输出信号中的噪声电压，认识有关器对噪声的克制能力。实验数据整理与概括：1、参照信号通道特征研究利用多功能信号源输出正弦波，其频次为1000hz，电压大小为100.3mV，调理相移器的0、90、180、270移相按钮，示波器ch1通道是输入的正弦波形，ch2通道输出的是经过移相器后的信号波形，记录以下：表1移相器挪动0、90、180、270时的输入输出信号（正弦波）3图像相90°0°位图像相270°180°位（1）调理0°~100°相位调理旋钮，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跟着电压的增大振幅增大，而ch2通道的输出信号的幅度不变。当增大输入信号的频次时，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次，而振幅不变。出现以上现象的原由是：往常经过移相器产生的信号是与原信号同频次的占空比为1:1的方波信号，方波的幅度为1，不会跟着输入信号的幅度而发生改变，可是移相器挪动角度，会使所得方波发生挪动。（2）当输入信号为三角波时，输出信号为表2表2移相器挪动0、90、180、270时的输入输出信号（三角波）图像相位0°90°图像相位180°270°（3）当输入信号为方波时，输出信号为表2表3移相器挪动0、90、180、270时的输入输出信号（方波）4图像相位0°90°图像相位180°270°2、相敏检波器的特征研究及主要参数丈量（1）相敏检波器PSD输出波形和电压丈量（a）选择沟通放大倍数1,直流放大倍数10，有关器低通滤波时间设置1s，输出信号为正弦波时不一样相位的波形如表4表4相位差为0、90、180、270时的PSD输出波形（此中0与180的PSD信号相反，90和270的PSD信号相反）图像相位0°90°差图像相位180°270°差（2）丈量有关器输出直流电压大小与信号、参照信号之间幅值及相位差ψ的关系表5在不改变输入信号的幅值状况下记录直流电压udc和相位差ψ的大小5ψ/°2265891120151179udc1.5741.6011.2210.441-0.233-1.187-1.578ψ/°198211235270300306330udc-1.636-1.588-1.313-0.5080.2160.5391.123图10直流电压udc和ψ的曲线关系表6直流电压udc和cos()的关系，ψ为相位差的大小(弧度制)cos( )0.8990.530-0.017-0.500-0.875-1.000udc1.6011.2210.441-0.233-1.187-1.578图11直流电压udc和cos()的关系图由表5、表6、图10、图11能够看出，在不改变输入信号的幅值状况下直流电压udc和相位差ψ成余弦关系，而在ψ=0时直流电压udc和输入电压u成正比率关系，可见udc=Cucos（ψ）建立，此中C为比率系数。有关器就是实现参照信号和被测信号有关函数的电子线路，由乘法器和积分器构成。一种开关式乘法器即相敏检波器（PSD），积分器即为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，沟通部分会被滤去，只有直流部分会被输出，且udc=Cucos（ψ）。（3）有关器的谐波响应的丈量与察看表7分频时数出直流电压值与分频时有关器对谐波的响应图n12值直流电1.254V-6.7mV压值6图像n34值直流电0.379V-6.8mV压值图像n56值直流电0.332V-6.8mV压值图像n78值直流电0.235V-6.7mV压值图示波器上的图像飘移示波器上的图像飘移像从上表可见，当分频时，参照信号的频次为信号频次的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，而且跟着n的增大，直流部分减小。这表示被测信号中的奇次谐波成分在输出信号中仍据有必定比率，或许说有关器对奇次谐波的克制能力有必定限度，而且跟着奇数的增大，克制能力愈来愈强。4）有关器对不有关信号的克制信号输入：频次200.89Hz，电压102.0mv低频信号源：频次49.57Hz，电压17.9mv（靠近0）有关器输出的最大直流电压为1.017V表8加法器以及PSD输出波形CH1CH2加法器输出波形PSD输出波形7在没有扰乱信号时，相移器0，直流输出电压0.98v在有扰乱信号时，扰乱信号电压为0.30v，改变扰乱信号的频次，察看输出信号的电压变化：（a）在扰乱信号频次近于100Hz时，输出信号直流电压在0.906v左右，输出波形较为稳固（b）扰乱信号频次靠近200Hz时，输出波形较不稳固（c）扰乱信号频次靠近300Hz时，输出信号直流电压在1.016v左右，输出波形较为稳固d）扰乱信频次再增添，直流电压输出不变，每当频次为输入信号频次奇数倍时，信号较为安稳。由以上实验现象可见，有关器对没有倍数关系以及有倍数关系而且倍数为偶数的不有关信号的克制作用仍是很显然的，直流电压输出近于没有扰乱信号时的直流电压输出。可是有关器关于有奇数倍数关系的不有关信号的克制能力有必定限度，可是跟着奇数倍的增大克制能力会增大，当倍数为7、9时，有关器几乎完整克制此不有关信号。（5）有关器对噪声的克制及等效噪声带宽输入信号电压Vsi=49.7mv，输入信号频次fs=1002.97hz加法器以及PSD输出波形见附的原始实验数据（没有摄影）表9改变时间常数后噪声电压的改变状况时间常数T/s10.110信号电压/mV48.948.948.9直流电压/V7.937.937.93噪声电压/mV84.895.597.6由上表能够看出，当时间常数增大时，噪声电压会减小，说明有关器在时间常数增大时对噪声的克制会增强。fni，当T=1s时，输出信号的信噪比为3，输入信号的信噪比为0.675，那么有信噪比改良ISNR=2.33,而因为ISNR=fni=39khz，fno=7khz，那么理论值为fno2.36，偏差1.3%。经过以上的实验可知，关于噪声，在经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次稍高于定频，高通滤波器的截止频次选在稍低于定频时，锁相放大器就能够最大限度的克制噪声。经过以上的实验可知，关于噪声在经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次稍高于定频，高通滤波器的截止频次选在稍低于定频时，锁相放大器就能够最大限度的克制噪声。实验结果与剖析：