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1、基于鎖相放大的微弱信號檢測電路研究 摘要：鎖相放大器（lock-inamplifier）運(yùn)用互相關(guān)性原理，參考干擾信號與被測信號的互相關(guān)性，從比被測信號強(qiáng)100dB以上的干擾信號中檢測出目的信號。為了更好的檢測出被測信號，在鎖相放大器原理的基礎(chǔ)上，利用開關(guān)型相敏檢波器（phase-sensitivedetection）和直流放大器，實現(xiàn)雙通道的鎖相放大器。關(guān)鍵詞：鎖相放大器、相敏檢波器、互相關(guān)性中圖分類號：TN722文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A微弱信號檢測是一門新興的技術(shù)學(xué)科，它利用電子學(xué)、信息論和物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號的特點和相關(guān)性，檢測被噪聲淹沒的微弱信號。
2、由于其在微弱信號檢測方面的優(yōu)越性能，在科學(xué)研究的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。鎖定放大器利用信號的周期性和噪聲的隨機(jī)性的差別，通過互相關(guān)運(yùn)算，相同頻率并且相同相位的信號可以順利通過，相同頻率但是不同相位的信號，會有很大的衰減作用，從而能比被測信號強(qiáng)100dB的干擾信號中幾乎準(zhǔn)確無誤地檢測出目的信號。鎖相放大器相當(dāng)于高Q值帶通濾波器，等效帶通濾波器的Q值一般可以達(dá)到1077左右，而且能夠自動地將中心頻率跟蹤和保持在測量頻率上。鎖相放大器最為合適測量深埋在噪聲中的有用信號，常用于檢測伴隨強(qiáng)背景噪聲的微弱信號，有抗干擾能力強(qiáng)、性能好、靈活性高等優(yōu)點。1鎖相放大器原理1.1鎖相放大器原理鎖相放
3、大器利用了噪聲與目的信號之間在性質(zhì)上的差別，目的信號的頻譜是很窄的，而白噪聲的頻譜卻有著寬闊的頻譜，白噪聲的頻譜雖然包括了目的信號的頻譜，但是，白噪聲的頻譜幅度卻很小。如果我們用窄帶帶通濾波器濾除目的信號外的頻譜，這樣噪聲對目的信號的干擾就會很小，從而就可以準(zhǔn)確的測出目的信號的幅度和相位。為了更加精確的測量被噪聲所掩埋的目的信號，應(yīng)該將帶通濾波器的頻帶寬度變的更加窄。如果將頻帶寬度縮小到1/n，那么噪聲就會減小到1/，如果目的信號大小不改變，則信噪比會改善為1/。減小帶寬就意味著提高電路的Q值，但是，帶通濾波器的帶寬不可能做到很小，也就是說Q值不可能做到非常大。一般的濾波器所能夠
4、達(dá)到的Q值大約在100左右，這是由于組成濾波器的元件的精確度和穩(wěn)定性是有限的，太高的Q值電路往往是不穩(wěn)定的，在制作上是很困難的。但是鎖相放大器利用噪聲與目的信號之間在性質(zhì)上的差別，卻可以使Q提高到約為107，而且能夠自動地將中心頻率跟蹤和保持在測量頻率上，這是窄帶帶通濾波器是無法做到的。7將被測信號和參考信號（方波）進(jìn)行乘法運(yùn)算，方波通過傅里葉展開為R（t），相乘后得到u（t），u（t）包括相乘信號的和頻與差頻信號。由于被測信號和參考信號頻率相同，其中差頻信號會有為直流信號。而和頻信號和其他的差頻信號通過后面的低通濾波器濾除，只剩下直流信號，輸出為。單通道的鎖相放大器（如圖1）包
5、括信號通道、移相電路、相敏檢測器（PSD）、低通濾波器（LPF）。由于一般的模擬乘法器電路，在線性度和溫度穩(wěn)定性等性能不是很好，所以，在實際的鎖相放大器中，通常會采用開關(guān)元件來代替模擬乘法器。單通道的鎖相放大器在測量中會出現(xiàn)許多問題，參考信號和目的信號的相位差必須為0°，否則是不能很好地測量被測信號的大小。所以就需要把參照信號與目的信號的相位差調(diào)節(jié)到0°，然后再輸入到相敏檢測器。為了能夠正確地測量出目的信號的大小，移相電路是單通道的鎖相放大器中必不可少的電路。并且在測量中很難判斷電路是否已經(jīng)準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)相位差為0°，這對測試的結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響。1.2雙通道鎖相放大器原理7
6、為了克服單通道鎖相放大器的缺點，在經(jīng)過對單通道鎖相放大器的改進(jìn)，雙通道鎖相放大器可以使得參考信號和目的信號的相位差不必為0°，電路同樣能很好地測量被測信號的大小。這樣在測量時就不必調(diào)節(jié)參考信號和目的信號的相位差了，為測量帶來了便利，并且測量結(jié)果更加精確。雙通道鎖相放大器的工作原理結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括信號通道、參考通道、相敏檢測器（PSD）、低通濾波器（LPF）、矢量運(yùn)算以及直流放大器。信號通道：主要是對被測信號進(jìn)行預(yù)濾波和交流放大等處理，伴有噪聲的輸入信號放大，并經(jīng)選頻放大對噪聲進(jìn)行初步處理，提高了信號的信噪比。參考通道：提供一個與輸入信號頻率相同的方波，并對該方波移相0o和90
7、o，作為相敏檢波器的輸入。相敏檢波器：對被測信號和參考信號進(jìn)行乘法運(yùn)算，并得到和頻與差頻信號。由于被測信號和參考信號頻率相同，差頻信號為直流信號。通過后面的低通濾波器后就只剩下直流信號。低通濾波器：濾出直流信號以及濾除噪聲信號，提高輸出直流信號的信噪比，從而實現(xiàn)提取噪聲中的微弱信號。低通濾波器的帶寬決定了鎖相放大器的等效帶寬，濾波器的截止頻率越低，則等效帶寬則越寬。但是截止頻率越低，反應(yīng)時間也會越長，這會使得測量時需要等待的時間變長，這是我們所不希望的，所以需要合理設(shè)置低通濾波器
