锁相放大预习实验（参考）.docVIP

得分 老师签名 修改日期 深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称： 近代物理实验二 课程编号： 实验名称：锁相放大实验 学院： 物理科学与技术 专业： 应用物理 班级： 组号： 第五组 指导老师：张哲煌 报告人： 学号： 实验地点 科技楼 316 实验时间： 2021 年 4 月 9 日 实验报告提交时间： 实验目的 1、理解相关检测根本原理； 2、理解锁相放大器的根本组成,特性参数和应用； 3、学习正确使用锁相放大器。 实验原理 1、相关检测及相关检测器 相关：指两个函数间有一定的关系。 相关包括自相关和互相关两种。 1〕.互相关检测原理： 假如f1(t)和f2(t-τ)为两个功率有限信号，刚可定义它们的互相关函数为 QUOTE 令f1(t)=V1(t)+n1(t)，f2(t)=V1(t)+n2(t)，其中n1(t)和n2(t)分别代表与待测信号V1(t)及参考信号V2(t) 式中Rsr(τ)，Rr2(τ)，Rr1(τ)，R12(τ) 通常相关检测器由乘法器和积分器构成。乘法器有两种：一种是模拟式乘法器：另一种是开头式乘法器，常采用方波作参考信号，而积分通常由RC低通滤波器构成。 如今令式〔〕中两个信号均为正弦波： 等测信号为 Vs(t)=escosωt; 参考信号为 Vr(t-τ)=ercos[(ω+Δω)t+φ]. 在式中r为两个信号的延迟时间。它们进入乘法器后变换输出为V(t)， 即由原来以ω为中心频率的频谱变换成以Δω及和频2ω为中心的两个频谱，通过低通滤波器〔简称LPF〕后，和频信号被滤去，于是经LPF输出的信号为 假设两信号频率一样〔这符合大多数实验条件〕，那么Δω=0，上式变为 式中K是与低通滤波器的传输系数有关的常数。 上式说明，假设两个相关信号为同频正弦波时，经相关检测后，其相关函数与两信号幅度的乘积成正比，同时与它们之间位相差的余弦成正比，特别是当待测信号和参考信号同频同位相，即Δω=0，φ=0时，输出最大，即 可见参考信号也参与了输出。为保证高质量的检测，参考信号必须非常稳定。实际常用的参考信号Vr(t)是方波。 对于Vr(t)是方波的情况，相应采用开关式乘法器，称为相敏检波器〔简称PSD〕。可将它等效为按输入信号Vs 当待测信号频率和参考信号基波一样时，即ωr=ωs，LPE的输出为 QUOTE Vr(t)为方波的情况，经相关检测后，其输出仅与待测信号的幅度es成正比，与两信号的相位差φVs(t)和Vr(t)同时改变极性，那么两者相位差φ=0，那么 V(t)为全部“正〞或“负〞的脉动，否那么V(t)就是“正〞或“负〞交替的交流信号。信号经RC滤波后得到一定幅值的直流成分 Vo. 当φ=0，π时，Vo最大；φ=π/2时Vo=0.如图3.1.3(a)~(c) 理论上，由于噪声和信号不相关，通过相关检测器后应被抑制，但由于LPF的积分时间不可能无限大，实际上仍有噪声电平影响，它与LPF的时间常数亲密相关，通过加大时间常数可以改善信噪比。 2、锁相放大器的根本组成。目前锁相放大器类型很多，但其根本组成只有 输入的交流待测信号与噪声一起进入信号通道，经低噪声前置放大器放大再通过上下通滤波，使噪声受到初步抑制，然后送入相敏检波器PSD，以免PSD出现过载。 参考信号进入参考通道后，一般也要经过放大、整形、移相等处理后再送入PSD与待测信号进展相关检测，可以通过调节参考通道的移相器使参考信号对输入信号之相位改变，使参考信号与输入信号同相即φ=0时，相位被锁定，从而抑制了不相干的噪声信号。有些锁相放大器的参考通道中设置有跟踪电路，以保证在仪器的工作范围内使参考信号与输入信号保持所需的相移值。 3、锁相放大器的特性参量。锁相放大器不同于一般放大器的特性参量主要有： 〔1〕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。锁相放大器最后检测的是与输入信号