微弱信號(hào)檢測(cè)與鎖定放大器.ppt

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1、微弱信號(hào)檢測(cè)與鎖定放大器上海交通大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心楊文明噪聲與干擾通常把由于材料或器件的物理原因產(chǎn)生的擾動(dòng)稱為噪聲。把來(lái)自外部的原因的擾動(dòng)稱為干擾，有一定的規(guī)律性，可以減少或消除。鎖定放大器要解決的就是如何在很強(qiáng)的外部干擾環(huán)境中檢測(cè)弱信號(hào)。噪聲與干擾寬帶的或持續(xù)的無(wú)用信號(hào)通常把可以減少或消除的外部擾動(dòng)稱為干擾，把由于材料或器件的物理原因產(chǎn)生的擾動(dòng)稱為噪聲。噪聲與干擾瞬時(shí)的或窄帶的無(wú)用信號(hào)市電50Hz或100Hz（整流等）；電臺(tái)；開(kāi)關(guān)通/斷；高能量的脈沖電流或電壓；機(jī)械振動(dòng)；太陽(yáng)活動(dòng)；雷電等實(shí)驗(yàn)室中的典型噪聲環(huán)境50Hz電源布線，儀器內(nèi)部功率單元等50Hz的諧波可控硅斬波，整流，電感等造

2、成正弦波失真或毛刺電氣觸點(diǎn)的通/斷觸點(diǎn)的通/斷總伴隨著電火花或電弧實(shí)驗(yàn)室中的典型噪聲環(huán)境高頻信號(hào)開(kāi)關(guān)電源大功率高頻振蕩器1/f噪聲檢測(cè)系統(tǒng)的屏蔽與接地噪聲的引入:電容性偶合：電場(chǎng)引起，噪聲源內(nèi)阻高電感性偶合：磁場(chǎng)引起，噪聲源內(nèi)阻低噪聲的屏蔽電容性偶合：降低電路的阻抗，在噪聲源與信號(hào)線之間建立導(dǎo)電屏障，屏障接地。例屏蔽線，銅罩殼等。噪聲的屏蔽電感性偶合減少回路面積，用鐵磁性物質(zhì)包圍噪聲源。例如，變壓器的外殼，雙絞線。接地接大地：消除電位差；消靜電。接信號(hào)地：信號(hào)的公共點(diǎn)，提供信號(hào)回路，減少阻抗。1MHz低頻以下可采用一點(diǎn)接地，10MHz以上高頻可采用大面積多點(diǎn)接地。還要注意區(qū)分模擬地和數(shù)

3、字地。測(cè)量技術(shù)的分類非相關(guān)測(cè)量普通的電壓表，示波器，頻率計(jì)等使用方便，用途廣泛相關(guān)測(cè)量鎖定放大器，同步積分器，數(shù)字濾波器等抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，靈敏度高鎖定放大器的工作原理1962年第一臺(tái)儀器問(wèn)世，發(fā)現(xiàn)俄歇效應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已在幾百種場(chǎng)合中得到應(yīng)用。在弱信號(hào)探測(cè)儀器中鎖定放大器是一個(gè)非常重要的品種。信噪比可低達(dá)10-5。BW=0.0004Hz（相當(dāng)于Q值=108）。兩個(gè)隨機(jī)過(guò)程的相關(guān)性對(duì)兩個(gè)信號(hào)，定義相關(guān)函數(shù)互相關(guān)Rxy函數(shù)兩個(gè)隨機(jī)過(guò)程的相關(guān)性互相關(guān)Ryx函數(shù)：隨機(jī)過(guò)程的相關(guān)性自相關(guān)函數(shù)：白噪聲，自相關(guān)函數(shù)=0相關(guān)檢測(cè)相關(guān)檢測(cè)設(shè)有信號(hào)S(t)，通過(guò)如上圖所示的功能器件，則有：如果參考信號(hào)

4、是“干凈”的，則只剩下第一項(xiàng)。相關(guān)檢測(cè)的矢量解釋參考信號(hào)：可看成是基矢(正弦波)或基矢的線性組合（非正弦波，如方波）檢測(cè)信號(hào)：可看成是由多個(gè)正弦信號(hào)的線性組合旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，ωR檢測(cè)信號(hào)繞參考信號(hào)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)檢測(cè)的矢量解釋檢測(cè)結(jié)果(對(duì)基矢投影)：被檢信號(hào)與參考信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定不動(dòng)；有穩(wěn)定輸出--直流被檢信號(hào)與參考信號(hào)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；有不穩(wěn)定輸出--交流通過(guò)阻容電路（積分器）可濾除交流，取出直流鎖定放大器的輸出Vo=Vicosθθ是檢信號(hào)與參考信號(hào)的夾角參考信號(hào)的要求從以上特點(diǎn)可知，參考信號(hào)一定要有被測(cè)信號(hào)中某個(gè)特定成分。參考信號(hào)源同時(shí)驅(qū)動(dòng)被測(cè)設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室常用這種方法。從被測(cè)信號(hào)中提取同步信號(hào)，

5、再轉(zhuǎn)為本地的參考信號(hào)。在無(wú)線通訊中只能用這種方法，如電視。傳輸窗口（參考信號(hào)：方波）偶次分量的測(cè)量利用鎖相環(huán)產(chǎn)生兩倍頻的參考信號(hào)方波只有奇次諧波，但如燈泡的光的頻率是驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的兩倍。用鎖相環(huán)產(chǎn)生倍頻。乘法器的工作過(guò)程積分器工作過(guò)程鎖定放大器的改進(jìn)矢量型：兩個(gè)正交的參考信號(hào)VR’(t)VO’(t)VS(t)鎖定放大器的改進(jìn)正弦化型：參考信號(hào)正弦化，消除多窗口多基矢f3f5f鎖定放大器的改進(jìn)f正弦化