锁相放大器的原理实验报告

锁相放大器的原理实验报告

摘要：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。

关键词：锁相放大器；微弱信号放大；PSD输出波形；谐波响应

一、引言

随着科学技术的发展，科学研究领域向宏观和微观不断深入，常常需要检测极微弱的信号，如物理学中的表面物理特性，光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱，生物学中的细胞发光特性、生物电的测量等。在这些测量过程中，待测的微弱信号常常淹没在强大的背景噪声之中，使用常规的检测手段就无法达到目的。而且随着科学的发展，对实验数据的可靠性、准确性、精确性的要求也越来越高，因此，微弱信号的检测就越来越重要，自60年代初开始，关于信号检测与处理的技术开始产生并迅速发展，现已逐渐形成一专门的边缘科学，在物理、化学、生物、天文、地质、医学、材料等学科领域得到广泛应用。

锁相放大器（Lock-In Amplifier，简写为LIA）就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号,能测量到输入信噪比低至10-5的微弱正弦量。自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，

现已被广泛应用于科学技术的很多领域。目前全世界已有多个厂家生产该仪器本实验使用由南京微弱信号检测中心研制的微弱信号综合实验仪来介绍锁相放大器的基本工作原理与使用方法，通过本实验可以了解锁相放大器的基本特点和应用方向。

二、实验

(一)实验原理

锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度。

(二)实验内容

1.参考信号通道的特性研究

调节多功能信号源的输出信号为正弦波，用频率计测量其频率，用交流直流噪声电压表测量信号的幅度，调节输出信号的频率为1kHz左右，幅度大小为100mV左右。按下宽带移相器0度移相按钮，调节0度~100度相位调节按钮，用示波器观察宽带移相器的输入和输出信号的波形的变化，最后使相位差计显示参考信号和输入信号的相位差分别为0度、90度、180度、270度对比画出宽带移相器的输入和输出信号的波形。

改变信号的幅值和频率，观察同相输出信号幅值和频率的变化，并做简要分析。

调节信号源，使输出波形分别为三角波和方波，重复上述观测。

2.相敏检波器的特性研究及主要参数测量

a.相敏检波器PSD输出波形和电压测量

按图接线，置交流放大倍数为×1，直流放大倍数为×10，相关器低通滤波时间常数置1秒，调节宽带移相器的相移量，用示波器观察信号、参考信号及PSD的输出波形并分析它们之间的关系，测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间幅值及相位差的关系，用相位计测量值大小，在0度~360度范围内作PSD输出直流信号Udc和输入信号Ui

的比值Udc/Ui与相位差的关系曲线度与理论公式对比（必须有0度、90度、180度、270度以及直流输出最大和最小的数据）。

其中Udc为相关器输出直流电压，Kac为交流放大倍数，Kdc为直流放大倍数，

为输入信号的幅值，为相位差。

b.相关器的谐波响应的测量与观察

将宽带移相器的输入信号接至多功能信号源的“倍频.分频输出”，多功能信号源功能“选择”置“分频”，此时，参考信号的频率为信号频率的1/n次倍。

先置分频数为1，调节移相器的相移，使输出直流电压最大，记录输出直流电压的大小。改变n的数值分别为2,3,4,5......，进行上述测量，根据测量结果画出相关器对谐波的响应图。

c.相干器对不相关信号的抑制

多功能信号源的输出正弦信号为相关器的输入信号，低频信号源的输出信号作为相关器的干扰信号，由相关器的“噪声输入”端输入。由示波器观察相关器的“加法器输出”波形与“PSD输出”波形，用电压表测量输入信号，干扰信号，相关器输出信号大小，由频率计测量信号和干扰信号的频率。

选择相关器的交流放大倍数为×1，直流放大倍数为×10，时间常数1秒，调节多功能信号源的频率为200Hz(可以任选)，电压为100mV，调节低频信号源的输出电压为0(即相

关器输入信号不混有干扰信号)，调节宽带相移器的相移量，使相关器输出的直流电压最大。

“PSD输出”波形及相关器输出的直流电压(正比于输入信号的有效值)。记录“加法器输出”，

调节低频信号源的输出电压为300mV，即干扰电压为待测量信号压的3倍。任选一工作频率(例如为930Hz)。由示波器观察“加法器输出”“PSD输出波形”，观测此时被测信号与干扰信号波形及相关器的输出直流电压变化。改变干扰信号的频率，观察相关器对不相关信号的抑制能力，对实验现象进行总结，分析相关器抑制干扰的能力。

二、实验结果的讨论和分析

1.参考信号通道特性研究

利用多功能信号源输出正弦波，其频率为，电压的有效值为101mV，峰峰值为304mv，调节相移器的0度、90度、180度、270度移相按钮，示波器ch1通道是输入的正弦波形，ch2通道输出的是通过移相器后的信号波形，记录如下：

调节0°~100°相位调节旋钮，增大移相的角度时，波形没有变化，方波略向左移。

当增大输入信号的幅值时， ch2通道的输出信号的电压幅度不变，其峰峰值一直为10V。

当改变输入信号的频率时，ch1通道的输入信号和ch2通道的输出信号的频率同时改变，而振幅不变，但两者的频率一直保持相等。

出现以上现象的原因是：通常通过移相器产生的信号是与原信号同频率的占空比为1:1的方波信号，方波的幅度为1，不会随着输入信号的幅度而发生改变，但是移相器移动角度，会使所得方波发生移动。

2.相敏检波器的特性研究及主要参数测量

a.相敏检波器PSD输出波形和电压测量

测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间幅值及相位差ψ的关系（Ui=100mv）在不改变输入信号的幅值情况下记录直流电压Udc和相位差ψ的大小

图9 Udc/Ui-ψ关系曲线

在不改变输入信号的幅值情况下直流电压输出信号与输入信号的比值Udc/Ui和相位差ψ成余弦关系。

实验测量的表达式约为

U UU=10U U cos U

理论表达式约为

U UU=9U U cos U

相关器就是实现参考信号和被测信号相关函数的电子线路，由乘法器和积分器组成。一种开关式乘法器即相敏检波器（PSD），积分器即为RC低通滤波器。加在PSD上的被测信号和方波信号经过乘法，输出信号再经过低通滤波器后，交流部分会被滤去，只有直流部分会被输出，且U UU=UU U cos U。

b.相关器的谐波响应的测量与观察

设置参考信号的频率为信号频率的1/n次倍，输入电压Ui=100mv。

分频时输出直流电压的最大值与相关器对谐波的响应图

分频时输出直流电压的最大值（实验值、理论值）

图10 Umax-n（n为正整数）关系曲线

当分频时，参考信号的频率为信号频率的1/n，且n为偶数时，输出直流电压近于零，而n为奇数时，输出电压会有直流部分，并且随着n的增大，直流部分减小。这表明被测信号中的奇次谐波成分在输出信号中仍占有一定比例，或者说相关器对奇次谐波的抑制能力有一定限度，并且随着奇数的增大，抑制能力越来越强。

C．相干器对不相关信号的抑制

fi=，干扰信号的有效值Ui=100mv，其中n为不相关信号与输入信号的频率之比。未接

噪声信号最大值为

实验现象总结：只有当n=时，相关器输出直流电压有波动，且随着n的增加变化范围减小

相关器对没有倍数关系以及有倍数关系并且倍数为偶数的不相关信号的抑制作用是较为明显的，直流电压输出近于没有干扰信号时的直流电压输出。但是相关器对于有奇数倍数关系的不相关信号的抑制能力有一定限度，但是随着奇数倍的增大抑制能力会增大，当倍数为7、9……时，相关器几乎完全抑制此不相关信号。

三、结论

通过移相器会产生与原信号同频率的占空比为1:1的方波信号；PSD输出信号经过低通滤波器后，交流部分会被滤去，只有直流部分会被输出，且U UU=UU U cos U。相关器

对奇次谐波的抑制能力有一定限度，并且随着奇数的增大抑制能力越来越强。

四、思考题：

1.锁相放大器各组成部分有什么功能和特点，为什么说PSD是锁相放大器的核心

锁相放大器主要由三部分组成：信号通道、参考通道、相敏检波器（PSD）。

信号通道：信号通道主要由前置放大器、低通高通滤波器、调谐放大器组成。待检测的微弱信号和噪声混合在一起输入低噪声前置放大器，经放大后进入前置滤波器，前置滤波器可以是低通、高通、带通或带阻滤波器，或者用这些滤波器的两种或两种以上的组合构成宽带或窄带滤波特性，用于防止在严重的噪声或干扰条件下使PSD出现过载，滤波后的信号经过调谐交流放大器放大到PSD所需电平后输入PSD。

参考通道：参考通道主要由触发器、变换电路、移相器组成。参考通道用于产生相干检测所需的和被测信号同步的参考信号。参考通道首先把和被测信号同频率的任何一种波形的输入信号转换为占空比为1:1的方波信号，其频率和输入移相器的参考信号的频率fr 相同。现代的锁相放大器还可以给出频率为2fr的方波信号，主要用于微分测量中相移电路可以精密地调节相位，使PSD中混频器的两个输入信号的相位差严格为零，获得最大的检波直流输出。方波信号通过移相器改变其相位，使得PSD输入的参考信号与被测信号同相位，锁相放大器的PSD的直流输出信号一般要再经过滤波和直流放大，最后输出给测量仪表等。

相敏检波器（PSD）：它实际上是一个乘法器。加在信号输入端的信号经滤波器和调谐放大器后加到PSD的一个输入端。在参考输入端加一个与被测信号频率相同的正弦（或方波）信号，经触发整形和移相变成方波信号，加到PSD的另一个输入端。之所以说PSD是锁相放大器的核心，是因为它将被检信号和参考信号相乘，通过直接计算相关函数来实现从噪声中检测到被淹没的信号。

2.滤波器时间常数的选择对锁相放大器检测微弱信号有什么影响

从抑制噪声的角度看，时间常数RC越大越好，时间常数越大，等效噪声宽度越小，抑制噪声效果越好，检测微弱信号的本领越强。但RC越大，放大器反应速度也越慢，幅度变化较快的信号的测量将受到限制。所以在锁相放大器中用减小带宽来抑制噪声是以牺牲响应速度为代价的。在测量中应根据被测信号情况，选择适当的时间常数，而不能无限度地追求越大越好。

3.在微弱信号检测中，如果微弱信号是直流性质的，如何利用锁相放大器对其检测

对于直流信号，锁相放大器不能直接检测，因为锁相放大器的原理就是通过计算被检信号和参考信号的相关函数来实现从噪声中检测到被淹没的信号。直流信号没有频率的概念，无法选择参考信号，也就无法进行相关函数的计算。需要对直流信号进行调制后才能利用锁相放大器对其进行检测。

参考文献：

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[5]. 吕斯骅,朱印康主编. 近代物理实验技术（1）. 高等教育出版社，1991

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[7]. 唐鸿宾编. 微弱信号检测技术实验讲义（上）. 南京大学微弱信号检测技术中心，1997

[8]. ND-501型微弱信号检测试验综合装置使用说明书

[9]. 林木欣主编. 近代物理实验教程. 科学出版社，1999

锁相放大器原理

如何测量被噪声埋没了的信号？ 在测量各种物理量（温度、加速度等）时，用传感器将其变换成为电信号，然后输入到分析仪器（测量仪器）中去。但是，仅想获得必要的信号是很难做到的。通常是连不必要的信号（也就是噪声）也一起被测量了。在各种情况下，噪声都有可能混进来。 噪声并不仅限于电信号，也有包含在被测量的物理量中的情况。另外，根据不同场合，也出现噪声强度远远高出所需要的目的信号电平的情况。想要测量的信号越微弱，那么噪声就相对地越大。 在这里，让我们来看一下用交流电压表来测量不同电平的1kHz 的正弦波信号的结果。 在信号上叠加了0.1Vmrs 的白噪声。“毫伏计”是一般的交流电压表，“锁相放大器”是一种专门测量微小信号的（特殊的）交流电压表。 信号电平 （正弦波信号） 波 形 （叠加了噪声的波形） 毫伏计的 测量结果 锁相放大器的 测量结果 1Vrms 1Vrms 0.999Vrms 100mVrms 140mVrms 99mVrms

1mVrms 105mVrms 1.01mVrms 0.1mVrms 105mVrms 0.107mVrms 毫伏计也同时测量噪声。即使用数字万用表（DMM ）来测量，也会得到与毫伏计相同的测量结果。 但锁相放大器，能在比目的信号（1kHz 正弦波）强1000倍的噪声中把目的信号几乎准确无误地检测出来。 在测量埋没在噪声中的信号时，使用锁相放大器最为合适。 为什么锁相放大器具有那么强的抗噪声能力？ 锁相放大器不容易受到噪声影响的原因，是因为很好地利用了噪声（白噪声）与目的信号（正弦波）之间在性质上的差别。 在这里，我们一方面整理白噪声的性质和正弦波的性质，一方面解说为什么锁相放大器会具有很强的噪声抑制能力。 噪声的性质 ■平坦的频谱 在宽阔的频率范围内，该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。

锁相放大器实验报告

锁相放大器实验报告 摘要：本实验利用锁相放大器对信号中的噪声进行抑制并对其进行检测，了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成；掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。通过实验学会锁相放大器的使用，掌握利用锁相放大器来观察信号输入信号通道前后的幅值以及波形情况，获得相位与电压、放大倍数与电压的关系，并且通过噪声的观察知道如何消除噪声。 关键词：锁相放大器，微弱信号放大，PSD 输出波形，谐波响应 引言：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的。方法，将微弱信号从噪声中提取出来。自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。 一、实验原理： 1、 噪声 在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。这类信号检测的最终极限将取决于测量设备的噪声，这里所说的噪声是指干扰被测信号的随机涨落的电压或电流。噪声的来源非常广泛复杂，有的来自测量时的周围环境，如50Hz 市电的干扰，空间的各种电磁波，有的存在于测量仪器内部。在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1／f 噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动的涨落现象引起的。从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。 2、相干检测及相敏检波器 微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。设信号f 1(t )为被检信号V s (t )和噪声V n (t )的叠加，f 2(t )为与被检信号同步的参考信号V r (t )，二者的相关函数为： 由于噪声V n (τ)和参考信号V r (τ)不相关，故R nr (τ)=0，所以R 12(τ)=R sr (τ)。锁相放大器通过直接实现计算相关函数来实现从噪声中检测到被淹没信号。 锁相放大器的核心部分是相敏检波器(phase —sensitive detector,简称PSD)，也有称它为混频器(mixer)的，它实际上是一个乘法器。加在信号输入端的信号经滤波器和调谐放大器后加到PSD 的一个输入端。在参考输入端加一个与被测信号频率相同的正弦（或方波）信号，经触发整形和移相变成方波信号，加到PSD 的另一个输入端。 若加在PSD 上的被测信号为u i ，加在PSD 上的方波参考信号u r 幅度为1，若用傅里叶级数展开，则方波的表达式为 ()[]∑∞=++=0r r 12sin 1 21π4n t n n u ω, （n =0，1，2）。 (1) 于是PSD 的输出信号为 从式(2)可以看出，输出信号oPSD u 包含有下列各种频率分量：

锁相放大器技术详解

https://www.wendangku.net/doc/9016356847.html,/st1272/article_22104.html 锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。 在外差式振荡技术中被称为本地振荡（Local Oscillation）的、用于做乘法运算的信号，在锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。锁相放大器能够（从被测量信号中）检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器（LPF）。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。在频率域中，如下图所示。 锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF）的截止频率来确定的。例如，在测量10kHz的信号时，如果使用1mHz的低通滤波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器时的噪声抑制能力。如果换算成为Q值，就相当于5×106。要想真正制造这样高的Q值的带通滤波器，那是不可能的。但是，使用锁相放大器，这就很容易实现了。 如同前面所解说的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器（BPF）时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。 与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实现。由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。 那么，实际的锁相放大器又是什么样的呢？ ■使用PSD（相敏检波器）作为乘法器。

锁相放大器综述

题目： 锁相放大器的原理及应用 姓名： 单位： 学号： 联系方式：

摘要 锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。本文主要介绍了锁相放大器原理，发展过程，基本组成，重要参数和在各方面的应用。 关键词：锁相放大器，噪声，傅立叶变换

一、锁相放大器的定义 锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。锁相放大器又称锁定放大器是对正弦信号（含具有窄带特点的调幅信号）进行相敏检波的放大器，它实际上是一个模拟的傅立叶变换器，在强噪声下，利用有用信号的频率值准确测出有用信号的幅值。应用在科学研究的各个领域中：如通讯、工业、国防、生物、海洋等。 二、锁相放大器的历史 上世纪六十年代美国公司研制出第一台利用模拟电路实现微弱正弦信号测量的锁相放大器，使微弱信号检测技术突破性飞越，为解决大量电子测量做出贡献，在物质表面组份分析以及表面电子能态研宄方面有重大意义。自上世纪后期开始，国内外越来越多的人开始研宄锁相放大器，随着科技的发展，越来越多性能优良的锁相放大器被研发出来，在各个领域应用广泛，极大程度上推动了各个学科的发展，目前，从提高系统的灵敏度、减小噪声带宽、提高检测精度、改善信噪比上都有了很大的进步。近年来，数字电子技术飞速发展，锁相放大器也在这一契机下，出现了模数混合的锁相放大器与数字锁相放大器，这在一定程度上弥补了由于物理器件造成的模拟锁相放大器的缺点，极大改善了性能，提升了研究层次与扩大了应用范围。国外相较于国内而言，起步要早一些，己研发出一系列锁相放大器。美国公司、美国公司是行业的龙头企业，它们所研制的模拟型：、和数字型：、、、均已有较成熟的发展与应用。其中公司是世界范围内数字锁相放大器研制的佼佼者，该公司的产品在到的频率带宽内可测，具有自动获取、自动补偿功能，具有谐波抑制功能、度的相位分辨率和大于的动态保留，时间常数位从到可调，它的数字信号处理设计使它具有很大的动态存储，这就减少了使用带通滤波器时带进的噪声以及系统的不稳定性。就国内而言，南京大学唐鸿宾等对锁相放大器的研宄起步较早，研发出了系列锁相放大器，该校微弱信号检测中心顺势

基于LabVIEW的锁相放大器及其应用

基于LabVIEW的锁相放大器及其应用 物理学院? 07级 崔? 龙? 20071001013 韩恩道? 20071001028 摘? 要：研究了基于LabVIEW的锁相放大器的实现方法，利用测量信号与两路参考信号的互相关将所需频率的微小信号锁定并进行测量。两路有恒定相位差的参考信号的设计使得可通过计算直接输出被测信号的幅值。制作了基于LabVIEW 的锁相放大器原型并进行了初步测试。将制作的锁相放大器应用在了利用声波的相位差定位的系统中。 关键词：LabVIEW，虚拟仪器，锁相放大器 Abstract: Having a research on the Lock-in Amplifier (LIA) based on NI-LabVIEW, making use of the cross-correlation of the measured signal and the reference signal so that the tiny signal which is in the certain frequency can be locked and tested. The setting of two channels of reference signals make it possible to get the amplitude of the signal directly. A prototype of LIA based on LavVIEW is made. Then the LIA is used in a system which finds out the location of a sound source. Keywords: LabVIEW, VI, Lock-in Amplifier 1.虚拟仪器和LabVIEW 1.1 虚拟仪器技术 1.1.1 概? 述 虚拟仪器(Virtual instrument 简称VI)，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包括一下两方面的含义。 1.虚拟仪器的面板是虚拟的： 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的;由各种开关、按钮、显示器等图标实现仪器电源的“通”、“断”;被测信号的“输入通道”、“放大倍数”等参数的设置，及测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。 1.虚拟仪器测量功能是通过对图形软件流程的编程来实现的：

锁相放大器实验报告BY陈群

锁相放大器实验报告BY陈群 浙江师范大学实验报告实验名称锁相放大实验班级物理071 姓名陈群学号 07180116 同组人刘懿钧实验日期 09/12/1 室温气温锁相放大实验 摘要: 锁相放大器(Lock-in amplifier，LIA)自问世以来，在微弱信号检测方面显示 出优秀的性能，它能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高,在科学 研究的各个领域得到了广泛的应用。它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。 因此，学生掌握锁相放大技术的原理与应用具有重要的意义。关键词: 锁相放大器微弱信号 PSD信号 引言: 在进展一日千里的现代科技领域中，精密量测技术的发展对于近代工业有关键 性的影响。当我们研究的系统日趋庞大，交互作用复杂，但所欲了解的现象却越来越精细时，如何在一大堆讯号中获得我们真正想要的信息便成为一个重要的课题。一般的线性放大器可以将微弱的电子讯号放大，但若我们所要的信号中伴随着噪声信号，则两者都会一起放大，亦即此伴随的噪声无法滤除。尤其当噪声强度远大于所要的信号时，即必须藉助特殊的放大器以同时放大讯号并滤去噪声。锁相放大器是一种能测量极微弱的连续周期性信号的仪器。这些微弱信号可以小至数奈伏特(nV)，甚至隐藏在大它数千倍的噪声当中，亦能精确的测得。连续周期性信号与噪声不同之处，在于前者具有固定的频率及相位，

后者则杂乱无章。锁相放大器便是利用所谓”相位灵敏侦测(phase-sensitive detection，PSD)” 的技术以取得具有特定频率与相位的信号，而不同于此频率 的噪声则被抑制下来，使输出讯号不受噪声影响。 实验方案: 实验原理 锁相放大器的基本结构如图所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)等。 信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的平台，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。 参考通道对参考输入进行放大和衰减，以适应相敏检测器对幅度的要求。参考通道的另一个重要功能是对参考输入进行移相处理，以使各种不同的相移信号的检测结果达到最佳。 锁相放大器的核心部件是PSD，它以参考信号r(t)为基准，对有用信号x(t)进行相敏检测，从而实现频谱迁移过程。将x(t)的频谱由ω=ω0处，再经LPF滤除噪声，输出直流信号，其幅度与两路输入信号幅度及它们的相位有关。其输出 u0(t)对x(t)的幅度和相位都敏感，这样就达到了既鉴幅又鉴相的目的。因为LPF 的频带可以做得很窄，所以可使锁相放大器达到较大的SNIR。下图为不同相位时 相敏检测器的输出波形

锁相放大器(Lock-in-Amplifier)的原理与应用

lock-in D y T nV?C a A i H μq C Lock-in-Amplifier D n u I ”ˉe ”?A q S v P A L o i q o C Lock-in-Amplifier ]PSD(phase sensitive detector)?A q S v B A L o L q H C Lock-in q n v A A O i A v f 1G )2sin(1111φπ+=f E e P )2sin(2222φπ+=f E e q L V (mixer)2V o μG G )2sin()2sin(221121213φπφπ++=×=f f E E e e e )]()(2cos[2 )]()(2cos[2212121212121φφπφφπ+++??+?= f f E E f f E E (difference frequency component) (sum frequency component) PSD AC A p q L C q o i A AC o C p G f 1μ￥f 2?éA difference frequency component DC A o p U PSD )cos(2 212 13φφ?= E E e )1)(cos(21≈?φφ

Lock-in lock-in i1V q A q I+P I- S C H q eμn u C B p U G 1.q e A i q q q A A P q q y p A o B n A P A q y a C 2.q(q u p)A i q(1M[B 10M[B100M[B1G[)M q y K q10K[(]q 10K[) 3. lock-in (1) ￥lock-in sensitivity A A lock-inμu(p G) μu C (2) °10-7A A i q10M[A q A A lock-in sensitivity A(1mV)A qμ 10V(q O lock-in q10μG)C (3) ?(OSC LvL)]1V A v(OSC F)P60 (p G23)A K P A(REF PH)Aμ(90o)μ0-V Bμê(270 o)μ0+V A(0 o B180 o)10V C p U G Lock-in A lock-inμq C 1.lock-in sensitivity A o i BP A time constant]1s A A lock-in I qμu(p)μu C 2. °10-7A A i q10M[A q A A lock-in sensitivity A(1mV)A qμ10V C

锁相放大器

锁相放大器实验 锁相放大器实验（Lock-in amplifier）,简称LIA。它是一个以相关器为核心的检测微弱信号仪器，它能在强噪声情况下检测微弱正弦的幅度和相位。学习本实验的目的是使同学了解锁相放大器的基本组成,掌握锁相放大器的正确使用方法。 一、锁相放大器的基本组成 结构框图如图1所示。它有四个主要部分组成:信号通道、参考通道、相关器（即相关检测器）和直流放大器。 图1 锁相放大器的基本结构框架 1.信号通道 信号通道包括:低噪音前置放大器、带通滤波器及可变增益交流放大器。 前置放大器用于对微弱信号的放大，主要指标是低噪音及一定的增益（100～1000倍）。 可变增益放大器是信号放大的主要部件，它必须有很宽的增益调节范围，以适应不同的信号的需要。例如，当输入信号幅度为10nV，而输出电表的满刻度为10V时，则仪器总增益为10V/10nV =109若直流放大器增益为10倍，前置放增益为103，则交流放大器的增益达105。 带通滤波器是任何一个锁相放大器中必须设置的部件，它的作用是对混在信号中的噪音进行滤波，尽量排除带外噪音。这样不仅可以避免PSD（相敏检波器）过载，而且可以进一步增加PSD输出信噪比，以确保微弱信号的精确测量。常用的带通滤波器有下列几种：

图2为一个高通滤波器和一个低通波滤 波器组成的带通滤波器，其滤波器的中心频 率f0及带宽B由高低滤波器的截止频率f c1 决定和f c2决定。锁相放大器中一般设置几种 截止频率，从而根据被测信号的频率来选择 合适的频率f0及带宽B。但是带宽滤波器带 宽不能过窄，否则，由于温度、电源电压波 动使信号频谱离开带通滤波器的通频带，使 输出下降。 为了消除电源50Hz的干扰，在信号通道 中常插入组带滤波器。 （2）同步外差技术 上述高低通滤波器的主要缺点是随着被 测信号频率的改变，高低通滤波器的参数也 要改变，高低通滤波器的参数也要改变，应 用很不方便。为此，要采用类似于收音机的 同步外差技术，原理框图如图3所示。这是一种单外差技术，PSD1实际上是一个混频器, 图2 高低通频滤波器原理，具有频率f0信号经放大滤波后进入混频PSD,其输出为和频项(f i+2f0)及差频f i,再经具有中心频率为f i带通滤波后,输出变为中频信号f i ， (幅度仍与被测信号的幅度成正比)再后,通过PSD2完成相敏检波后,得到解调输出U0,达到了对信号幅度的测量。外差方式的优点是采用固定中频f i 的带通滤波器,因而对不同被测信号频率均能适用;其次,由于采用固定中频带通滤波器,故滤波器的带宽及形状可以专门设计,所 以本电路具有很强的抑制噪音的能力。 图 3 同步外差技术原理框图 （3）同步积分技术

精品 锁相放大器实验报告

锁相放大器实验报告【摘要】?随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱 信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。【关键词】锁相放大器；微弱信号放大；PSD输出波形；谐波响应一实验原理 1.1 噪声 在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。这类信号检测的最终极限将取决于测量设备的噪声，这里所说的噪声是指干扰被测信号的随机涨落的电压或电流。噪声的来源非常广泛复杂，有的来自测量时的周围环境，如50Hz市电的干扰，空间的各种电磁波，有的存在于测量仪器内部。在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1／f噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动的涨落现象引起的。从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。 1.2 相干检测及相敏检波器 微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。设信号f1(t)为被检信号V s(t)和噪声V n(t)的叠加，f2(t)为与被检信号同步的参考信号V r(t)，二者的相关函数为： 由于噪声V n(?)和参考信号V r(?)不相关，故R nr(?)=0，所以 R12(?)=R sr(?)。锁相放大器通过直接实现计算相关函数来实现从噪声中检测到被淹没信号。 锁相放大器的核心部分是相敏检波器(phase—sensitive detector,简称PSD)，也有称它为混频器(mixer)的，它实际上是一个乘法器。加在信号输入端的信号经滤波器和调谐放大器后加到PSD 的一个输入端。在参考输入端加一个与被测信号频率相同的正弦（或方波）信号，经触发整形和移相变成方波信号，加到PSD的另一个输入端。

锁相放大器的原理实验报告

锁相放大器的原理实验报告 摘要：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。 关键词：锁相放大器；微弱信号放大；PSD输出波形；谐波响应 一、引言 随着科学技术的发展，科学研究领域向宏观和微观不断深入，常常需要检测极微弱的信号，如物理学中的表面物理特性，光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱，生物学中的细胞发光特性、生物电的测量等。在这些测量过程中，待测的微弱信号常常淹没在强大的背景噪声之中，使用常规的检测手段就无法达到目的。而且随着科学的发展，对实验数据的可靠性、准确性、精确性的要求也越来越高，因此，微弱信号的检测就越来越重要，自60年代初开始，关于信号检测与处理的技术开始产生并迅速发展，现已逐渐形成一专门的边缘科学，在物理、化学、生物、天文、地质、医学、材料等学科领域得到广泛应用。 锁相放大器（Lock-In Amplifier，简写为LIA）就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号,能测量到输入信噪比低至10-5的微弱正弦量。自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。目前全世界已有多个厂家生产该仪器本实验使用由南京微弱信号检测中心研制的微弱信号综合实验仪来介绍锁相放大器的基本工作原理与使用方法，通过本实验可以了解锁相放大器的基本特点和应用方向。 二、实验 (一)实验原理 锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度。

锁相放大器的工作原理

锁相放大器的工作原理 一．什么是锁相放大器 锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。 锁相放大器实物图 二．锁相放大器的构成 锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。在外差式振荡技术中被称为本地振荡（Local Oscillation）的、用于做乘法运算的信号，锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。锁相放大器能够（从被测量信号中）检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器（LPF）。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器（LPF）滤除。在频率域中，如下图所示。 锁相放大器的基本组成 三．锁相放大器的应用

锁相放大器可用于检测到在杂噪信号中被埋没的微弱的信号。采用选频放大技术，使放大器的中心频率f 0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。后来发展了锁相放大技术。它利用等测信号和参与信号的相互关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。目前，锁相放大技术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。 应用一:用于测量现场尘粒浓度。尘粒浓度测量仪采用光电收发对称式探测头，能够对温度、振动、器件老化等因素进行抑制。光信号在烟道中的衰减与烟道中尘粒浓度关系遵从朗伯-比尔定律。当烟道内尘粒浓度增大到一定程度，使得光信号大幅衰减，环境杂散光等成为不可忽视的噪声信号。 应用二：用于红外线温度传感器的低温范围拓展。 红外探测器易受杂散光，环境辐射，内部噪声等影响，尤其是低温时热辐射信号微弱，信噪比较低，信号将淹没在噪声中，这就限制了红外温度传感器的应用。锁相放大器可以将微弱的热辐射信号噪声中检测出来，从而拓展了红外线温度传感器在低温范围的应用。 应用三：相敏检波器组成的锁相环在电力系统同步谐波检测中的应用。红外探测器易受杂散光，环境辐射，内部噪声等影响，尤其是低温时热辐射信号微弱，信噪比较低，信号将淹没在噪声中，这就限制了红外温度传感器的应用 四．锁相放大器的工作原理 锁相放大器是以相干检测技术为基础，利用参考信号频率与输入输入信号频率相关，与噪声信号不相关，从而从较强的噪声中提取出有用信号，使得测量精度大大提高。所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）；如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。

近代物理实验报告—锁相放大器

锁相放大器 物理112班 朱佳亮 11180249 【摘要】 锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。 【关键词】锁相放大器；微弱信号放大；PSD 输出波形；谐波响应 一引言 随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。 二、实验原理 1、噪声 在物理学的许多测量中，常常遇到极微弱的信号。这类信号检测的最终极限将取决于测量设备的噪声，这里所说的噪声是指干扰被测信号的随机涨落的电压或电流。噪声的来源非常广泛复杂，有的来自测量时的周围环境，如50Hz 市电的干扰，空间的各种电磁波，有的存在于测量仪器内部。在电子设备中主要有三类噪声：热噪声、散粒噪声和1／f 噪声，这些噪声都是由元器件内部电子运动的涨落现象引起的。从理论上讲涨落现象永远存在，因此只能设法减少这些噪声，而不能完全消除。 2、相干检测及相敏检波器 微弱信号检测的基础是被测信号在时间上具有前后相关性的特点。相关反映了两个函数有一定的关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号检测中一般都采用抗干扰能力强的互相关检测。设信号f 1(t )为被检信号V s (t )和噪声V n (t )的叠加，f 2(t )为与被检信号同步的参考信号V r (t )，二者的相关函数为： ()()()()[]()()() d )(21lim d 21lim nr sr r n s 2112 τττττR R t t V t V t V T t t f t f T R T T T T T T +=-?+=-?=??-∞→-∞→ 由于噪声V n (τ)和参考信号V r (τ)不相关，故R nr (τ)=0，所以R 12(τ)=R sr (τ)。锁相放大器 通过直接实现计算相关函数来实现从噪声中检测到被淹没信号。 锁相放大器的核心部分是相敏检波器(phase —sensitive detector,简称PSD)，也有称它为混频器(mixer)的，它实际上是一个乘法器。加在信号输入端的信号经滤波器和调

锁相放大器的工作原理

检测微弱信号的核心问题是对噪声的处理，最简单、最常用的办法是采用选频放大技术，使放大器的中心频率f 0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制，但此法存在中心频度不稳、带宽不能太窄及对等测信号缺点。后来发展了锁相放大技术。它利用等测信号和参与信号的相互关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。目前，锁相放大技术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。因此，培养学生掌握这种技术的原理和应用，具有重要的现实意义。 1.锁相放大器的工作原理 1.相关检测及相关检测器。所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）； 如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。 如果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 (3.1.1) 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)混在一起的噪声，则式（3.1.1）可写成 （3.1.2） 式中Rsr(τ)，Rr2(τ)，Rr1(τ)，R12(τ)分别是两信号之间，信号对噪声及噪声之间的函数。由于噪声的频率和相位都是随机量，他们的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。所以，可认为信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的，他们的互相关函数为零。于是式（3.1.2）可写成 （3.1.3） 上式表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。根据此原理设计的相关检测器见图（3.1.1）所示。它是锁相放大器的心脏。

锁相放大器

LIA锁相放大器 王莲20140916 光学工程 锁相放大器的工作原理 相关检测及相关检测器。所谓相关，是指两个函数不相关（彼此独立）；如果它们的乘积对时间求平均（积分）为零，刚表明这两个函数的关系又可分为自相关和互相关两种。由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都采用互相关检测原理。如果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 (3.1.1) 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)混在一起的噪声，则式（3.1.1）可写成 （3.1.2） 式中Rsr(τ)，Rr2(τ)，Rr1(τ)，R12(τ)分别是两信号之间，信号对噪声及噪声之间的函数。由于噪声的频率和相位都是随机量，他们的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。所以，可认为信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的，他们的互相关函数为零。 于是式（3.1.2）可写成 （3.1.3） 上式表明，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。根据此原理设计的相关检测器见图（3.1.1）所 示。它是锁相放大器的心脏。 图3.1.1相关检测器 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。

现在令式（3.1.3）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 若两信号频率相同（这符合大多数实验条件），则Δω=0，上式变为 （3.1.4） 式中K是与低通滤波器的传输系数有关的常数。 上式表明，若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(t)的频率来改变极性的双刀掷开关（参见图10.2.2），此时可令 当待测信号频率和参考信号基波相同时，即ωr=ωs，LPE的输出为 ,(3.1.5) 式中k仍是与LPF传输系数有关的常数，式（3.1.5）表明，在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φ成正比。如图（3.1.2）中Vs(t)和Vr(t)同时改变极性，则两者相位差φ=0，则

锁相放大器

2014江苏省大学生电子设计大赛 参赛学校： 参赛队编号： 参赛队员： 参赛试题：锁定放大器的设计（C题） 2014年8月

锁定放大器的设计（C题） 摘要 为了检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，本系统基于锁定放大器设计了的微弱信号的检测装置。本系统由纯电阻衰减网络、前级放大模块、同向加法器、相敏检波器、整形移相驱动电路、带通滤波器等多级滤波电路和LCD显示电路组成。通过同向加法器和纯电阻衰减网络将信号和噪声进行叠加产生微小信号，之后采用检测电路和显示电路完成微小信号的检测和LCD显示。本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，通过电压比较器产生方波以驱动乘法器AD630，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号，将该直流信号送入单片机处理后，经LCD显示信号幅值。经过最终的测试，本系统能较好地完成检测微小信号的功能。 关键词：微弱信号强噪声移相器锁定放大相敏检波

目录 1系统设计 (1) 1.1设计要求................................... 错误！未定义书签。 1.1.1设计任务.............................. 错误！未定义书签。 1.1.2 设计要求............................. 错误！未定义书签。2系统方案 (3) 2.1 方案比较与论证 (3) 2.1.1 微弱信号检测电路方案比较论证 (3) 2.1.2 移相电路模块方案比较论证 (3) 2.1.3 纯电阻衰减网络方案比较论证 (4) 2.1.4 前级放大模块方案比较论证 (4) 2.2 总体方案论述 (5) 3理论分析与计算 (6) 3.1 锁定放大器原理 (6) 3.2 相敏检波器分析 (6) 3.3 移相网络原理 (7) 4 电路与程序设计 (8) 4.1 电路设计 (8) 4.1.1 纯电阻衰减网络 (8) 4.1.2 同向加法器 (9) 4.1.3 前级放大电路........................ 错误！未定义书签。0 4.1.4 移相电路............................ 错误！未定义书签。1 4.1.5 带通滤波器.......................... 错误！未定义书签。2 4.1.6 相敏检波器.......................... 错误！未定义书签。3 4.2 程序设计................................. 错误！未定义书签。4 4.2.1 测量结果标定........................ 错误！未定义书签。4 5 测试方案与测试结果 (15) 5.1测试仪器 (15) 5.2 测试方案 (15) 5.2.1 基本部分测试 (15) 5.3 测试结果及分析 (16) 6 总结 (17) 参考文献 (17)

锁相放大器原理与应用

锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器（LPF）的截止频率来确定的。例如，在测量10kHz 的信号时，如果使用1mHz的低通滤波器（LPF），那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器时的噪声抑制能力。如果换算成为Q值，就相当于5×106。要想真正制造这样高的Q值的带通滤波器，那是不可能的。但是，使用锁相放大器，这就很容易实现了。 如同前面所解说的那样，在使用通频带非常狭窄的带通滤波器（BPF）时，如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产生测量误差，最糟糕的情况下可能会把被测量信号也滤除了。 与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频带多么狭窄都能实现。由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号。 那么，实际的锁相放大器又是什么样的呢？

采用方波作为参照信号，与参照信号同步使被测量信号的极性翻转，也就是在×1/×(-1)这两者之间进行切换。 ■需要进行相位调节。 如下图所示，PSD的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的相位差，而产生很大的变化。由此，低通滤波器（LPF）的输出信号（也就是锁相放大器测量所得到的值）也会产生变化。 除了相位差为0°之外，在其他状态下不能很好地测量被测信号的大小。这样，就需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0°，然后再输入到PSD。这个相位调节的电路，称作移相电路（Phase Shifter）,是锁相放大器中必不可少的电路。 上述的锁相放大器，称作「单相位锁相放大器」。为了能够正确地测量振幅和相位，需要有能够调节移相电路的「相位调节」部分。另外，如果将参照信号的相位移动90°，使用两个PSD，那么也可以组成不需要调节相位的「双相位锁相放大器」。 最后，让我们来说明锁相放大器的一个重要参数——“动态保留”。

锁相放大器的原理实验报告

锁相放大器的原理实验 报告 Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT-

锁相放大器的原理实验报告 摘要：随着科学技术的发展，微弱信号的检测越来越重要。微弱信号检测是利用电子学、信息论、物理学和电子计算机的综合技术。它是在认识噪声与信号的物理特性和相关性的基础上，把被噪声淹没的有用信号提取出来的一门新兴技术学科。锁相放大器就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。 关键词：锁相放大器；微弱信号放大；PSD输出波形；谐波响应 一、引言 随着科学技术的发展，科学研究领域向宏观和微观不断深入，常常需要检测极微弱的信号，如物理学中的表面物理特性，光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱，生物学中的细胞发光特性、生物电的测量等。在这些测量过程中，待测的微弱信号常常淹没在强大的背景噪声之中，使用常规的检测手段就无法达到目的。而且随着科学的发展，对实验数据的可靠性、准确性、精确性的要求也越来越高，因此，微弱信号的检测就越来越重要，自60年代初开始，关于信号检测与处理的技术开始产生并迅速发展，现已逐渐形成一专门的边缘科学，在物理、化学、生物、天文、地质、医学、材料等学科领域得到广泛应用。 锁相放大器（Lock-In Amplifier，简写为LIA）就是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号,能测量到输入信噪比低至10-5的微弱正弦量。自

信号检测_锁相放大器设计

信号检测理论课外作业 锁相放大器的Simulink仿真设计 姓名：潘世强 学号：20110802096 学院：光电工程学院 重庆大学光电工程学院 二0一一年十一月

锁相放大器的Simulink仿真设计 1.锁相放大器的原理 光声信号的幅度一般较小，通常是在微伏数量级，伴随的噪声可能是光声信号的数十倍。这里我们运用锁相放大器实现相关运算，从而抑制非相关噪声来提高信噪比。 1.1 锁相放大器的基本构成 锁相放大器的基本结构如下图所示。由信号通道、参考通道、相敏检测器（PSD）和低通滤波器组成。其中，信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作电平，滤除并抑制干扰信号；参考通道一般是输入等幅度的正弦信号或方波信号，它可以是从外部输入的某种周期信号，也可以是系统内原先用于调制的载波信号或用于斩波的信号；PSD以参考信号R(t)为基准，对有用信号X(t)进行相敏检测，从而实现频谱迁移过程，实现信号检测。

1.2锁相放大器的信号处理 ①被检测信号()x t ： 000()cos()()cos() n n n x t U t n t U t ωφωφ=++++ 其中，0U 、0ω、0φ分别为有用信号的幅度、频率和相位； ()n t 为杂乱无章 的白噪声；n U 、 n ω、n φ 为其他频率的噪声所对应的幅度、频率和相位，在理 想情况下， 0n ωω≠。 ②参考信号1()r t 为正弦信号： 1()cos() r r r r t U t ωφ=+ 其中 n U 、 n ω、n φ均为已知。 ③相敏检测器输出信号： 100000000()()() cos()cos()()cos() cos()cos() 1 {cos[()()]cos[()()]}+()cos()21 {cos[()()]cos[()2 P r r r r r r n r n n r r r r r r r r r r n r n r n r n r V t x t r t U U t t n t U t U U t t U U t t n t U t U U t t ωφωφωφωφωφωωφφωωφφωφωωφφωω==+++++++=++++-+-++++++-+()]}n r φφ- 当有用信号频率与参考信号的频率相等，即 0r ωω=时， 100000()()() 11 cos[()()]cos()22 1 ()cos()cos[()()]2 1 cos[()()]2 P r r r r r r r r n r n r n r n r n r V t x t r t U U t U U n t U t U U t t ωωφφφφωφωωφφωωφφ==++++-+++++++ -+-