锁定放大器级联使用.docx

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微弱信号检测技术

实验三锁定放大器级联使用

一、目的要求

了解锁定放大器级联使用时需要的条件；

测量锁定放大器级联使用时的相位特性；

测量锁定放大器级联使用时的传输特性。

二、基本原理

锁定放大器可以用于检测周期信号的幅度，具有强大的抑制噪声能力，并能够通过延长积分时间常数的办法压缩等效噪声带宽，提升抑制噪声的能力。然而，由于被检测信号在被与参考信号同频的交流信号调制之前不一定是直流信号，而是可能分布在一定的频率范围内，无限制的延长积分时间常数将会造成对检测结果的失真。因此，当锁定放大器的等效噪声带宽不足够窄时，需要通过两级锁定放大器级联的方式来实现进一步抑制噪声。

经典的锁定放大器使用相关器作为相关检测的核心结构完成对微弱信号的检测和对噪声的抑制，这一相关核心的特点是输入信号为交流信号，而输出信号为直流信号，为在后级连接下一级相关检测核心造成了障碍。为了解决这一问题，我们引入了同步积分器与旋转电容滤波器这两种方波输出的相关检测核心结构，以便为第二级锁定放大器提供交流信号输出，如图1所示。

图1.两级同步积分器级联使用

同步积分器与旋转电容滤波器的传输特性和等效噪声带宽特性均与相关器相似。当具有相同参数的两级同步积分器或旋转电容滤波器级联使用时，其等效噪声带宽为单独一级的一半，即，当两级的积分时间常数均为Tc时，两级联用在

Δ

(1)

总的等效噪声带宽为：

Δ

(2)

当锁定放大器级联使用时，除最后一级外，不可以使用相关器。

实验步骤与内容

1.同步积分器或旋转电容滤波器仿真。

直接利用实验一所编写的相关器程序，以相关器输出乘以参考信号作为同步积分器或旋转电容滤波器的输出。

思考如下问题：

这样直接相乘得到的结果，与同步积分器或者旋转电容滤波器的真实输出是否相符？如果与其中一个或两个不相符，为什么？

不相符；

_直接相乘是数学代数运算得到的结果，而同步积分器得到的是积分后的结果，二者之间有一个根号倍的关系。

2.旋转电容滤波器对噪声分量的输出测量。

设置合理的参数，测量并记录输入信号频率在[fR,2fR]范围内的输出波形和幅度，频率间隔取0

表1.旋转电容滤波器对噪声分量的输出波形

fR

Tc

频率

输出波形

输出幅度

f=

0.63921

f=

0.057914

f=

0.039931

f=

0.025755

f=

0.025373

f=

03.旋转电容滤波器相位响应特性测量

设置合理的参数，设被测信号频率与参考信号频率相等，在[0,2π]范围内设置合理的相位间隔，绘制旋转电容滤波器的相位响应曲线，并粘贴

旋转电容

旋转电容滤波器相位响应特性曲线

4.旋转电容滤波器级联使用的传输特性曲线测量

设置合理的参数，分别生成单独一级旋转电容滤波器的传输特性曲线（[0,10fR]）范围内，以及两级相同参数的旋转电容滤波器级联使用时的传输特性曲线。总的测量时间设为

旋转电容

旋转电容滤波器两级联用的传输特性曲线

对两条曲线进行对比分析，并提出能够体现两者之间关系的数值计算：

从图中可以看出使用两及级联用对性号噪声的抑制能力会比一级的要强，尤其是当信号的频率越低时，抑制效果越好。

两者之间的数值关系的计算：编写函数，并对图线进行分段积分，可得到其数值关系。

5.旋转电容滤波器级联使用的抑制噪声能力测试

设置合理的参数，在输入信噪比分别为10dB、0dB、-10dB的情况下，绘制旋转电容滤波器单独一级使用以及两级联用的输出波形（[15Tc,18

?此处插入表

10dB

0dB

-10dB

格

请对输出结果进行分析：

信噪比越小，旋转电容滤波器单独一级使用以及两级联用的输出波形的范围越大，一级特性曲线有尖峰，但二级特性曲线一直比较平稳，抑制噪声的效果比较好。