锁定放大器实验.docxVIP

2锁定放大器实验锁定放大器（LOCK—in Amplifier），简称LIA。它是一个以相关器为核心的微弱信号检测仪器，它能在强噪声情况下检测微弱正弦信号的幅度和相位。当我们对相关器有所了解以后，就可以将它构成锁定放大器。安排本实验的目的是使同学了解锁定放大器的基本组成，掌握锁定放大器的正确使用方法。一、锁定放大器的基本组成锁定放大器的基本结构框图如图10-2-1所示。它有四个主要部分组成：信号通道、参考通道、相关器（即相关检测器）和直流放大器。现分别介绍如下：图10-2-1 锁定放大器的基本结构框图信号通道信号通道包括：低噪声前置放大器、带通滤波器及可变增益交流放大器。前置放大器用于对微弱信号的放大，主要指标是低噪声及一定的增益（100倍～1000）倍。可变增益交流放大器是信号放大的主要部件，它必须有很宽的增益调节范围，以适应不同的输入信号的需要。例如，当输入信号幅度为10nV，而输出电表的满刻度为10V时，则仪器总增益为10V/10 nV＝１０９，若直流放大器增益为１０倍，前放增益为１０３，则交流放大器的增益达１０５。带通滤波器是任何一个锁定放大器中必须设置的部件，它的作用是对混在信号中的噪声进行预滤波，尽量排除带外噪声。这样不仅可以避免PSD过载，而且可以进一步增加PSD输出信噪比，以确保微弱信号的精确测量。常用的带通滤波器有下列几种：高低通滤波器图10-2-2为一个高通滤波器和一个低通滤波器组成的带通滤波器，其滤波器的中心频率f0及带宽B由高低滤波器的截止频率fc1和fc2决定。锁定放大器中一般设置几种截止频率，从而根据被测信号的频率来选择合适的f0及带宽B 。但是带通滤波器带宽不能过窄，否则，由于温度、电源电压波动使信号频谱离开带通滤波器的同频带，使输出下降。为了消除电源50Hz的干扰，在信号通道中常插入阻带滤波器，有称陷波滤波器。图10-2-2 高低通滤波器原理同步外差技术上述高低通滤波器的主要缺点是随着被测信号频率的改变，高低通滤波器的参数也要改变，应用很不方便。为此，要采用类似于收音机的同步外差技术， 原理框图如图10-2-3所示。这是一种单外差技术，PSD1实际上是一个混频器，具有频率f0的信号经放大滤波后进入混频的PSD1 ，其输出为和频项（fi＋2f0）及差频fi ，再经具有中心频率为fi的带通滤波后，输出变为中频信号fi（幅度仍与被测信号的幅度成正比）。最后，通过PSD2完成相敏检波后，得到解调输出U0 ，达到了对信号幅度的测量。外差方式的优点是采用固定中频fi的带通滤波器，因而对不同被测信号频率均能适用；其次，由于采用固定中频的带通滤波器，故滤波器带宽及形状可以专门设计，所以本电路具有很强的抑制噪声的能力。图10-2-3 同步外差技术原理框图同步积分技术图10-2-4为同步积分器电路图。同步积分器是一种RC积分电路，用电子开关使其轮流导通。电子开关由参考信号形成的开关方波控制，K1、K2、K3同时动作。当信号输入后，电容C就轮流充电，由于它是一种积分电路，故输出可以抑制噪声。输出频率为f0的方波，其幅度与输入信号幅度成正比，从而达到了抑制噪声，提取信号的目的，所以同步积分器也相当于一种可变中心频率的带通滤波器。图10-2-4 同步积分器原理图参考通道参考通道的作用是提供锁定放大器中PSD的开关方波。这种方波应是一个具有正负半周之比为1 ：1、频率为f0的方波。开关方波的相位能在0°～360°之间任意移动，以保证输出信号U0能达到正或负的最大。由于方波的对称性，可以消除偶次谐波的响应。参考通道的输入为频率f0的正弦波，经移相、整形后得到开关方波。因此，对参考信号的频率和幅度有一定的要求，通常幅度应大于100mV以上。另外，输入信号的波形可以是非正弦波，因为它可以通过整形达到规范化。移相电路可以用RC移相网络、模拟门积分比较器、锁相环等组成。直流放大器由PSD输出的信号是直流电压或缓慢变化的信号，因此后续的电路应为直流放大器。直流通道主要问题是放大器零漂的影响。由于PSD输出的直流信号可能很小（特别是对微弱正弦信号的检测），因此要选择低漂移的运算放大器作为直流放大器的前置级。其次，器件的1/f噪声也是引起输出电压波动的原因，因此要求有尽量小的1/f噪声。相关器详见10-1实验。二、锁定放大器的特性参量 任何仪器均有自己的主要性能指标。锁定放大器是一种微弱信号检测仪器，可以实现在噪声中微弱正弦信号的测量，因此它的主要特性参量就是根据这个要求而确定的。等效噪声带宽（ENBW）为测量深埋在噪声中的微弱信号，必须尽可能地压缩频带宽度，锁定放大器最后检测的是与输入信号幅度成正比的直流电压，原则上与被测信号的频率无关，因此，频带宽度可以做的很窄。可采用一级普通的RC滤波器来完成频带压缩。所以，锁定放大器的