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微弱信号检测实验 学号： 班级： 姓名： 2014年12月 一、实验目的： 微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和计算机科学的综合技术。他是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴的技术类科学。通过本实验加深对相关检测原理以及锁相放大器基本组成的认识，掌握锁相放大器的正确使用方法和在检波上的应用。 二、实验原理 1、锁相放大器的组成 锁相放大器的主要有三大部分组成：信号通道、参考通道、相关器。如下图所示： 信号通道包括低噪声前置放大器、有源滤波器、主放大器，它的作用是把微弱信号放大到足以推动乘法器的工作电平，并兼顾抑制噪声的功能。 参考通道是指从参考信号输入到乘法器输入之前的部分，它的作用是产生于被测信号同步的参考信号，通常参考通道输出的是与被测信号同步的对称方波，用以驱动乘法器工作。 锁相放大器的频率变换是通过乘法运算来进行的。一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存在问题。所以在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现频率变换。由开关元件所进行的同步检波电路，称作PSD（相敏检波器，Phase Sensitive Detector），这是组成锁相放大器的心脏部分。 实际电路存在各种噪声会影响实验的精确度。锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF）的截止频率来确定的。 2、锁相放大器的基本原理 相关接收原理，在相关接收中，可以把两个信号的函数和的相关函数定义为： 它是度量一个随机过程在时间和两时刻线性相关的统计参数，如果和完全没有关系，则相关函数将是一个常数。 下面我们设有两个信号、为： 其中、为噪声，为待测信号，为参考信号。则相关函数为： 展开得： 因为信号和噪声不相关，且噪声的平均值为零，所以都为零。 故。 这样我们可以看到，两个信号经过相乘和积分处理后就可以把噪声抑制，锁相放大器的核心就是根据这个原理设计的，见下图： 参考信号为方波时： 由于方波可以傅里叶展开成余弦函数：，则： 这样我们可以知道输出信号只跟待测信号的幅度和相位差有关。那么可以通过输出信号来测量输入信号了。锁相放大器用特殊的方法，使仪器灵敏度Q提高到约为107 （通常带通滤波器约为100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保持在测量频率上。 三、实验内容： 本次实验包括两部分内容，分别针对相对微弱信号和绝对微弱信号进行检测： 当信号被大噪声淹没时，即20mV正弦信号被百倍量级噪声淹没时，要求用锁相放大器检测得到正弦信号的幅值； 当信号本身微弱到(V量级时，信号为方波，频率已知，运用锁相放大器检测得到该微弱信号的幅值。 四、实验步骤： 相对微弱信号检测实验 实验设备：双通道信号发生器、可编程滤波器、锁相放大器、示波器。 实验步骤： 运用双通道信号发生器产生信号和噪声并合成，其中信号为正弦波，频率10kHz，幅度为20mV；噪声为白噪声，幅度为2V。用示波器观察信号，看能否分辨正弦信号； 运用带通滤波器提高该信号的信噪比，根据带通滤波器的参数计算信噪比改善比，并用示波器观察滤波后的信号能否分辨出正弦信号； 运用锁相放大器对微弱正弦信号进行检测，从信号发生器输出与正弦信号同频同相的方波作为锁相放大器的参考信号，从而检测正弦信号的幅度。 绝对微弱信号检测实验 实验设备：光纤陀螺、锁相放大器、示波器。 实验步骤： 运用光纤陀螺产生微弱信号，即转速信号，通过改变光纤陀螺的阶梯波台阶高度改变微弱信号的幅度，并运用示波器进行观察； 运用锁相放大器对微弱信号进行检测，从光纤陀螺输出与信号同频同相的方波作为锁相放大器的参考信号，从而检测信号的幅度。 五、实验总结 信号输入 参考输入 DC输出 滤波器 触发器 方波 DC 相移器 AC AC 乘法器 低通LPF 表 信号通道 参考通道 相敏检波器 锁相放大器基本结构示意图 乘法器 积分器