锁相放大器

2020-12-21 13:13:04 浏览:1249

定义及背景

锁相放大器(lock-in amplifier,简称LIA)是提取噪声中微弱信号的常用仪器。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。1962 年第一台锁相放大器问世以来,使微弱信号检测技术得到标志性的突破。随着锁相放大器的迅速发展,其在性能指标不断提高。锁相放大器已成为现代科学技术中必不可少的常用仪器,广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。锁相放大器不能像光子计数器那样测量极微弱的光信号,但它能测量宽范围的光强度,并且不局限于光信号的测量。

锁相放大器的基本组成 

锁相放大器是采用相干技术制成的微弱信号检测仪器,其基本结构由信号通道、参考通道和相关器等三部分组成。图1是锁相放大器原理方框图。

图 1 锁相放大器原理方框图

1、信号通道

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PSD出现过载, 滤波后的信号经过调谐放大器放大到PSD所需电平后输入PSD。

2、参考通道

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相同。现代的锁相放大器还可以给出频率为的方波信号,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, 即

3、相关器及输出电路

相关器由PSD和低通滤波器组成,它将从信号通道输出的被测交流信号和从参考通道输出的方波进行相乘和积分后转换成直流信号,输出的直流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。

锁相放大器的主要特征参量     

以下给出锁相放大器不同于一般放大器的特征参量。

(1)等效噪声带宽(ENBW)

为测量深埋在噪声中的微弱信号,必须尽可能地压缩频带宽度。锁相放大器采用RC低通滤波器来作频带压缩,因此,锁相放大器的等效噪声带宽可引用RC低通滤波器等效噪声带宽的定义。一个普通RC低通滤波器的电压传输系数:

其等效噪声带宽为:

从抑制噪声的角度看,时间常数 RC 越大越好。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。

(2)信噪比改善(SNIR)

信噪比(SNR)是指系统输入信号幅度和噪声幅度之比,用S/N 来表示。信噪比改善是指系统输出端信噪比So/No与输入端信噪比Si/Ni的比值,即:

(3)满刻度输出时的信号输入电平(FS)。满刻度输出时的输入电平FS表征了锁相放大器的测量灵敏度,它取决于系统的总增益。例如,如果系统的总增益为 108,满刻度输出为10V,则其 FS 输入电平为 0.1V,FS为允许信号的峰值。

(4)最大过载电平(OVL) ,即允许的最大非相干信号(噪声)的输入电平。

(5)最小可分辨信号电平 (MDS),它由前置放大器输入端等效输入噪声和输出直流漂移来决定。

(6)输入总动态范围,定义为在给定测量灵敏度条件下锁相放大器的最大过载电平OVL与最小可分辨信号MDS之比的分贝值,即:

输入总动态范围=

它是评价锁相放大器从噪声中检测信号的极限指标,它反映锁相放大器允许的输入噪声最大峰值与可以测出的最小信号之间的关系。

(7)输出动态范围,定义为满刻度输出时的输入电平 FS 与最小可分辨信号 MDS 之间的分贝值,即:

输出动态范围=

它反映了锁相放大器可以检测出的有用信号的动态范围。

(8)动态储备,定义为锁相放大器的过载电平 OVL 与满刻度输出时的输入电平 FS 之比的分贝值,即:

动态储备=

它反映系统抵御干扰和噪声的能力。

上述后三项性能指标之间关系可用图2来表示,即输入总动态范围 = 输出动态范围 + 动态储备

图 2 锁相放大器的动态特性

输入总动态范围一般取决于前置放大器的输入端噪声及输出直流漂移,往往是给定的。当噪声大时应增加动态储备,使放大器不因噪声而过载,但这是以增大漂移为代价的。噪声小时,可增大输出动态范围,相对压缩动态储备,从而获得低漂移的准确测量值。信号通道内插入高、低通滤波器和调谐放大器有助于改善动态储备。改变滤波器的通带范围和放大器的放大倍数会影响动态储备和动态范围。测量中要根据输入信号情况适当调节和选用。

发展过程

早期的LIA是由模拟电路实现的,随着数字技术的发展,出现了模拟与数字混合的 LIA,这种LIA只是在信号输入通道,参考信号通道和输出通道采用了数字滤波器来抑制噪声,或者在模拟锁相放大器(简称 ALIA)的基础上多了一些模数转换(ADC)、数模转换(DAC)和各种通用数字接口功能,可以实现由计算机控制、监视和显示等辅助功能,但其核心相敏检波器(PSD)或解调器仍是采用模拟电子技术实现的,本质上也是 ALIA。直到相敏检波器或解调器用数字信号处理的方式实现后,就出现了数字锁相放大器(简称 DLIA),DLIA比ALIA有许多突出的优点而倍受青睐,成为现在微弱信号检测研究的热点,但是在一些特殊的场合中,ALIA 仍然发挥着DLIA不可替代的作用。模拟锁相放大器(ALIA)和数字锁相放大器(DLIA)典型结构如图3,4所示。

图 3 模拟锁相放大器(ALIA)的典型结构图

图 4 数字锁相放大器(DLIA)的典型结构

参考文献

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