锁相原理(woolf).docVIP

u锁相放大器实验 学号 姓名：汪礼锋 实验日期：2008年11月11日 指导教师：何琛娟 摘 要：本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，理解相关检测原理并掌握锁相放大器的参考信号通道和相敏检波器的特性。 关键词：锁相放大器、信号、参考信号、噪声 1、引言 锁相放大器是检测淹没在噪声中微弱信号的常用仪器。目前，它已经能够在强噪声背景下检测出几纳伏（nV）的交流信号，并且能够测量宽范围的光强度。锁相放大器已成为现代科学技术中不可缺少的常用仪器。 2、实验原理 2.1、相关接收 利用参考信号和被测信号具有相关性，而参考信号与噪声相互独立、互不相关的性质，可以使之通过相关运算消弱噪声的影响，即对混有噪声的信号和参考信号进行相乘和积分处理，从而检测出微弱信号。 2.2、相干检测的实现 相干检测器由乘法器(PSD)和积分器组成。原理如下： 设加在PSD上的被测信号为 （1） 加在PSD上的方波参考信号幅度为1，若用傅里叶级数展开，则方波表达式为： （2） 于是PSD上的输出信号为： （3） 由公式（3）可以看出，输出信号包含各种频率的分量。在正常工作情况下，参考信号的基波频率与被测信号的频率相等的，即。这时PSD的输出信号中含有直流成分： （4） 将PSD的交流成分滤去后，只有直流成分的被输出，当相位时，输出信号最大： （5） 进一步分析还可以知道，被测信号的奇次谐波成分在输出信号中也占有一定的比例。 2.3、锁相放大器的基本组成 锁相放大器是采用相干技术制成的微弱信号检测仪器，其基本构成由信号通道、参考通道和相关器三部分组成。 3、实验仪器 ND-501型微弱信号检测实验综合装置 图1.锁放大器原理图 4、实验内容 4.1、参考信号通道特性研究 接好电路，调节输入信号为正弦波，频率为1000Hz，幅度大小为100mV。当相位计显示的相位差为8°时，输入信号和输出信号同相。调节参考信号和输入信号的相位差分别为，，，，对比宽带移相器的输入输出信号的波形变化，如图2所示： 图2、不同相位下宽带移相器的输入输出信号的波形 改变信号幅值和频率，得到表1： 表1、输入、输出信号幅值与频率研究 幅值（格） 频率（Hz） 输入信号 10 16.4 20 846 909 971 输出信号 15 15 15 841 903 966 由上表可以得到：当输入信号的幅值改变时，输出信号的幅值不发生改变；而当输入信号的频率变化时，输出信号的频率也相应发生改变，而且两者大小相等。 调节信号源，将正弦波改成三角波和方波，得到相似的结论。 分析：因为参考信号为被测信号所转化的占空比为1：1的频率相同的方波信号，所以频率与被测信号相同，但其幅值由移相器决定，而与被测信号无关。 4.2、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 按照实验要求连接好电路，调节输入信号为正弦波，选择带宽移相器，使参考信号和输入信号的相位差分别为，，，，用示波器观察信号、参考信号及PSD的输出波形，并分析三者之间的幅值及相位差的关系。实验数据如表2所示： 表2、直流电压和相位差、输入信号幅值的关系 第一组 角度() 19 109 199 289 信号输入（mV） 41.7 41.6 41.7 41.7 直流输出 0.411V 13.6mV 0.409V 14.8mV 第二组 角度() 13 102 192 283 信号输入（mV） 102.7 102.7 102.6 102.6 直流输出 1.11V 52.1mV 1.009V 102.6mV 由上表可以得出结论：当输入信号的大小不变时，直流输出的大小随相位差的改变而改变，而且变化情况符合公式（4）；同时，当相位差不变时，直流输出信号随输入信号大小改变，输入信号增大，直流输出信号也增大。 （2）相关器的谐波响应的测量与观察 按照实验要求连接好电路，依次改变分频数，调节相移器，记录最大的直流电压，根据测量数据值得表3： 表3、奇次谐波响应 n 1 2 3 4 5 6 7 9 角度() 16 6 5 4 4 2 28 3 直流输出（V） 1.018 0.3