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锁相放大器基础结构原理介绍

锁相放大器基础结构原理介绍。

在物理学的众多测量中,经常会遇到极微弱的信号。通常的方法是采用选择频率放大技术,使锁相放大器的中心频率与等待测量的信号频率相同,从非线性部件直接引进或外部引进的频率分量中间取出有用分量,过滤其他无用分量。但是,该方法存在中心频率不稳定、带宽不太狭窄、信号跟踪能力不足等缺点。

锁相放大器自问世以来,在弱信号检测方面表现出优异的性能,可以在强噪音中提取信号,大大提高测量精度,广泛应用于科学研究的各个领域。利用待测信号和参考信号的相关检测原理,实现信号狭窄的带化处理,有效抑制噪音,实现信号的检测和跟踪[10]。因此,学生掌握锁相放大技术的原理和应用具有重要意义。

锁相放大器的基本结构,包括信号通道、参考通道、敏感检测器(PSD)和低通过滤器(LPF)等。

信号通道对调制正弦信号的输入进行交流扩大,将弱信号扩大到足以推进敏感检测器工作的平台,过滤部分干扰和噪音,提高敏感检测的动态范围。

参考通道扩大和衰减参考输入,适应敏感检测器对幅度的要求。参考通道的另一个重要功能是将参考输入移动处理,使各种移动信号的检测结果较佳化。

锁相放大器的核心部件为PSD,以参考信号r(t)为基准,对有用信号x(t)进行敏感检查,实现频谱转移过程。将x(t)的频谱ω=ω0处,用LPF过滤噪音,输出直流信号,其幅度与两路输入信号的幅度及其相位有关。其输出u0(t)对x(t)的幅度和相位敏感,达到了鉴定幅度和鉴定的目的。LPF的波段可以做得很窄,所以锁相放大器可以做到很大的SNIR。

不同相位时相敏检测器的波形。

两个输入信号的振幅一定时,敏感检测器的输出与输入信号的相位差的馀弦成正比。两个同相信号检查波后输出较大,相反负面较大的差别为900或2700时为零。敏感检波器的原理比较简单,其输出信号是输入信号和参考信号的乘积。

式中:为测量信号频率的随机噪音频率。通过PSD后,输出。

降低通过滤波器的输出。

超过低通过滤波器切断带宽时,后者不通过低通过滤波器输出反而输出。

在实际电路中,常用的方波作为参考信号设置,参考信号的傅立叶级数如下

式中为方波的基波频率。

信号如下所示。

经过LPF的过滤作用,n>1的差频项和所有的和频项被过滤,只剩下n=1的差频项

最终将输出信号作为积分时间无限长的积分器的输入,完成相关函数的解决。

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