資源描述:
《基于鎖相放大的微弱信號(hào)檢測(cè)電路研究》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線(xiàn)閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、基于鎖相放大的微弱信號(hào)檢測(cè)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(hào)與被測(cè)信號(hào)的互相關(guān)性,從比被測(cè)信號(hào)強(qiáng)100dB以上的干擾信號(hào)中檢測(cè)出目的信號(hào)。為了更好的檢測(cè)出被測(cè)信號(hào),在鎖相放大器原理的基礎(chǔ)上,利用開(kāi)關(guān)型相敏檢波器(phase-sensitivedetection)和直流放大器,實(shí)現(xiàn)雙通道的鎖相放大器?! £P(guān)鍵詞:鎖相放大器、相敏檢波器、互相關(guān)性 中圖分類(lèi)號(hào):TN722文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 微弱信號(hào)檢測(cè)是一門(mén)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(cè)信號(hào)的特點(diǎn)和相關(guān)性,檢測(cè)
2、被噪聲淹沒(méi)的微弱信號(hào)。由于其在微弱信號(hào)檢測(cè)方面的優(yōu)越性能,在科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。鎖定放大器利用信號(hào)的周期性和噪聲的隨機(jī)性的差別,通過(guò)互相關(guān)運(yùn)算,相同頻率并且相同相位的信號(hào)可以順利通過(guò),相同頻率但是不同相位的信號(hào),會(huì)有很大的衰減作用,從而能比被測(cè)信號(hào)強(qiáng)100dB的干擾信號(hào)中幾乎準(zhǔn)確無(wú)誤地檢測(cè)出目的信號(hào)。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107左右,而且能夠自動(dòng)地將中心頻率跟蹤和保持在測(cè)量頻率上。鎖相放大器最為合適測(cè)量深埋在噪聲中的有用信號(hào),常用于檢測(cè)伴隨強(qiáng)背景噪聲的微弱信號(hào),有抗干擾能力強(qiáng)、性能好、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)?! ?鎖相放
3、大器原理 1.1鎖相放大器原理 鎖相放大器利用了噪聲與目的信號(hào)之間在性質(zhì)上的差別,目的信號(hào)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(hào)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(hào)外的頻譜,這樣噪聲對(duì)目的信號(hào)的干擾就會(huì)很小,從而就可以準(zhǔn)確的測(cè)出目的信號(hào)的幅度和相位。為了更加精確的測(cè)量被噪聲所掩埋的目的信號(hào),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(huì)減小到1/,如果目的信號(hào)大小不改變,則信噪比會(huì)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
4、小,也就是說(shuō)Q值不可能做到非常大。一般的濾波器所能夠達(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(hào)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(dòng)地將中心頻率跟蹤和保持在測(cè)量頻率上,這是窄帶帶通濾波器是無(wú)法做到的?! ⒈粶y(cè)信號(hào)和參考信號(hào)(方波)進(jìn)行乘法運(yùn)算,方波通過(guò)傅里葉展開(kāi)為R(t),相乘后得到u(t),u(t)包括相乘信號(hào)的和頻與差頻信號(hào)。由于被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)頻率相同,其中差頻信號(hào)會(huì)有為直流信號(hào)。而和頻信號(hào)和其他的差頻信號(hào)通過(guò)后面的低通濾
5、波器濾除,只剩下直流信號(hào),輸出為?! 瓮ǖ赖逆i相放大器(如圖1)包括信號(hào)通道、移相電路、相敏檢測(cè)器(PSD)、低通濾波器(LPF)。由于一般的模擬乘法器電路,在線(xiàn)性度和溫度穩(wěn)定性等性能不是很好,所以,在實(shí)際的鎖相放大器中,通常會(huì)采用開(kāi)關(guān)元件來(lái)代替模擬乘法器。單通道的鎖相放大器在測(cè)量中會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題,參考信號(hào)和目的信號(hào)的相位差必須為0°,否則是不能很好地測(cè)量被測(cè)信號(hào)的大小。所以就需要把參照信號(hào)與目的信號(hào)的相位差調(diào)節(jié)到0°,然后再輸入到相敏檢測(cè)器。為了能夠正確地測(cè)量出目的信號(hào)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(cè)量中很難判斷電路是否已經(jīng)準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)相
6、位差為0°,這對(duì)測(cè)試的結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大的影響?! ?.2雙通道鎖相放大器原理 為了克服單通道鎖相放大器的缺點(diǎn),在經(jīng)過(guò)對(duì)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(hào)和目的信號(hào)的相位差不必為0°,電路同樣能很好地測(cè)量被測(cè)信號(hào)的大小。這樣在測(cè)量時(shí)就不必調(diào)節(jié)參考信號(hào)和目的信號(hào)的相位差了,為測(cè)量帶來(lái)了便利,并且測(cè)量結(jié)果更加精確?! ‰p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(hào)通道、參考通道、相敏檢測(cè)器(PSD)、低通濾波器(LPF)、矢量運(yùn)算以及直流放大器?! ⌒盘?hào)通道:主要是對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波和交流放大等處理,伴有噪聲的輸入信號(hào)放大,并經(jīng)選頻放大對(duì)噪聲
7、進(jìn)行初步處理,提高了信號(hào)的信噪比。 參考通道:提供一個(gè)與輸入信號(hào)頻率相同的方波,并對(duì)該方波移相0o和90o,作為相敏檢波器的輸入?! ∠嗝魴z波器:對(duì)被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算,并得到和頻與差頻信號(hào)。由于被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)頻率相同,差頻信號(hào)為直流信號(hào)。通過(guò)后面的低通濾波器后就只剩下直流信號(hào)?! 〉屯V波器:濾出直流信號(hào)以及濾除噪聲信號(hào),提高輸出直流信號(hào)的信噪比,從而實(shí)現(xiàn)提取噪聲中的微弱信號(hào)。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(shí)間也會(huì)越長(zhǎng),這會(huì)使得測(cè)量時(shí)需要等待的時(shí)