微弱信号检测与锁定放大器

null微弱信号检测与锁定放大器微弱信号检测与锁定放大器 上海交通大学物理实验中心 杨文明噪声与干扰噪声与干扰 通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。 把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性，可以减少或消除。 锁定放大器要解决的就是如何在很强的外部干扰环境中检测弱信号。噪声与干扰噪声与干扰宽带的或持续的无用信号 通常把可以减少或消除的外部扰动称为干扰，把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。噪声与干扰噪声与干扰瞬时的或窄带的无用信号 市电50Hz或100Hz（整流等）；电台；开关通/断；高能量的脉冲电流或电压；机械振动；太阳活动；雷电等 实验室中的典型噪声环境实验室中的典型噪声环境50Hz 电源布线，仪器内部功率单元等 50Hz的谐波 可控硅斩波，整流，电感等造成正弦波失真或毛刺 电气触点的通/断 触点的通/断总伴随着电火花或电弧 实验室中的典型噪声环境实验室中的典型噪声环境高频信号 开关电源 大功率高频振荡器 1/f 噪声null检测系统的屏蔽与接地检测系统的屏蔽与接地噪声的引入: 电容性偶合：电场引起，噪声源内阻高 电感性偶合：磁场引起，噪声源内阻低 噪声的屏蔽噪声的屏蔽电容性偶合： 降低电路的阻抗， 在噪声源与信号线之间建立导电屏障，屏障接地。例屏蔽线，铜罩壳等。 噪声的屏蔽噪声的屏蔽电感性偶合 减少回路面积， 用铁磁性物质包围噪声源。例如，变压器的外壳，双绞线。接地接地接大地： 消除电位差；消静电。 接信号地： 信号的公共点，提供信号回路，减少阻抗。1MHz低频以下可采用一点接地，10MHz以上高频可采用大面积多点接地。还要注意区分模拟地和数字地。测量技术的分类测量技术的分类非相关测量 普通的电压，示波器，频率计等 使用方便，用途广泛 相关测量 锁定放大器，同步积分器，数字滤波器等 抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高锁定放大器的工作原理锁定放大器的工作原理1962年第一台仪器问世，发现俄歇效应。据统计，已在几百种场合中得到应用。在弱信号探测仪器中锁定放大器是一个非常重要的品种。 信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当于Q值=108）。两个随机过程的相关性两个随机过程的相关性对两个信号，定义相关函数 互相关Rxy 函数两个随机过程的相关性两个随机过程的相关性互相关Ryx 函数：随机过程的相关性随机过程的相关性自相关函数：白噪声，自相关函数=0相关检测相关检测相关检测相关检测设有信号S(t)，通过如上图所示的功能器件，则有：如果参考信号是“干净”的，则只剩下第一项。相关检测的矢量解释相关检测的矢量解释参考信号： 可看成是基矢(正弦波)或基矢的线性组合（非正弦波，如方波） 检测信号： 可看成是由多个正弦信号的线性组合 旋转坐标系，ωR 检测信号绕参考信号作相对转动相关检测的矢量解释相关检测的矢量解释检测结果(对基矢投影)： 被检信号与参考信号相对稳定不动；有稳定输出--直流 被检信号与参考信号有相对运动；有不稳定输出--交流 通过阻容电路（积分器）可滤除交流，取出直流锁定放大器的输出锁定放大器的输出 Vo=Vi cosθ θ是检信号与参考信号的夹角参考信号的要求参考信号的要求从以上特点可知，参考信号一定要有被测信号中某个特定成分。 参考信号源同时驱动被测设备，在实验室常用这种方法。 从被测信号中提取同步信号，再转为本地的参考信号。在无线通讯中只能 用这种方法，如电视。 传输窗口（参考信号：方波） 传输窗口（参考信号：方波） 偶次分量的测量 偶次分量的测量利用锁相环产生两倍频的参考信号 方波只有奇次谐波，但如灯泡的光的频率是驱动信号频率的两倍。 用锁相环产生倍频。乘法器的工作过程乘法器的工作过程积分器工作过程积分器工作过程nullnull锁定放大器的改进锁定放大器的改进矢量型：两个正交的参考信号 VR’(t)VO’(t) VS(t)锁定放大器的改进锁定放大器的改进正弦化型：参考信号正弦化，消除多窗口 多基矢锁定放大器的改进锁定放大器的改进f正弦化