16、鎖相技術(shù)

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1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案鎖相技術(shù)一、引言鎖相，就是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制。鎖定放人器(LIA—L0ck—inAmDlmer)是鎖相技術(shù)在微弱信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用，本實(shí)驗(yàn)將研究鎖定放大器的原理和應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)的目的要求是：l了解鎖定放大器的工作原理，著重掌握相關(guān)器的原理。2學(xué)會(huì)使用鎖定放大器，并用它測(cè)量p．n結(jié)勢(shì)壘電容。二、原理(一)鎖定放大器的基本原理本實(shí)驗(yàn)采用NL一1鎖定放大器，其原理框圖見圖12．k鎖定放大器是一種交流電壓表，它能精確地測(cè)定深埋在噪聲之中的周期重復(fù)信號(hào)的幅值及相位，這種抑制噪聲的作用主要是通過相關(guān)器實(shí)現(xiàn)的，使用時(shí)，除要輸入待測(cè)信號(hào)外，還要輸入?yún)⒖夹盘?hào)。輸入

2、信號(hào)通道低通濾波器相乘電路同步積分器信號(hào)輸入ABC參考通道參考信號(hào)輸入EFF圖12—1NL一1鎖定放大器原理框圖1、相關(guān)器鎖定放大器中的相關(guān)器如圖12—2所示。它由相乘電路和低通濾波器組成，相乘電路有許多形式，如開關(guān)型、電流控制型等等，NL一1鎖定放大器采用開關(guān)型。低通濾波器具有壓縮噪聲帶寬，讓直流信號(hào)通過的作用，它抑制噪聲的能力可以用“等效噪聲帶寬”相乘電路輸入信號(hào)低通濾波器R-+參考信號(hào)圖12—2相關(guān)器這一參數(shù)來(lái)描述，可以求出，圖12—2中的低通濾波器的等效噪聲帶寬n=低通濾波器的時(shí)間常數(shù)T=Rc，T越長(zhǎng)則n越小，但實(shí)際上由于漂移等問題，T是不能太長(zhǎng)的。下面是相

3、關(guān)器的工作原理。相關(guān)器采用的是所謂相關(guān)接收技術(shù)。設(shè)輸入信號(hào)為，參考信號(hào)為精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案，由于低通濾波器實(shí)際上是一個(gè)積分器，因此相關(guān)器的輸出是和乘積，再對(duì)時(shí)間積分，并取平均值有=(12-1)式中t是參考信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)的延遲時(shí)間，積分時(shí)間上限T即低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，通常把式(12．1)所表示的稱為和的相關(guān)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)求相關(guān)函數(shù)的電子線路稱為相關(guān)器或相關(guān)接收器。下面的討論會(huì)更清楚相關(guān)器的作用。設(shè)入輸入信號(hào)與參考信號(hào)都是頻率為的正弦波，且輸入信號(hào)有噪聲，即（12-2）式中為隨機(jī)的噪聲頻率，，分別為信號(hào)和隨機(jī)的噪聲與參考信號(hào)的相位差，，和為它們的振幅，通過乘法器的輸

4、出電壓通過低通濾波器后，上式等號(hào)右邊第：、四項(xiàng)被濾去，相關(guān)器的輸出電壓為=+()(12-4)式中上式第一項(xiàng)為直流輸出，第二項(xiàng)中的如果大于低通濾波器的帶寬，則被濾去，如果小于低通濾波器的帶寬，則輸出仍有少量噪聲。實(shí)際上考慮到線性和動(dòng)態(tài)范圍，鎖定放大器的相乘電路采用開關(guān)電路，因此參考信號(hào)是F式所示的的單位方波：(12-5)其中為方波的頻率。如果輸入信號(hào)仍是頻率為的正弦波:其中年為輸入信號(hào)與參考信號(hào)之間的相位差，按照參考信號(hào)為正弦波的方法進(jìn)行討論可以求得(12-2)所示的相關(guān)器的輸出電壓為(12-6)這是鎖定放大器的基本公式，為直流電亞，正比于輸入信號(hào)的振幅，并和精彩文檔

5、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案的余弦成正比。為低通濾波器的直流放大倍數(shù)，負(fù)號(hào)表示從反向端輸入。改變輸入信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差，可以求得輸入信號(hào)的幅值和相位，從式中可以看出，當(dāng)或，正比于，且為最大值；當(dāng)=或，為零。圖12-3畫出了輸入信號(hào)與參考信號(hào)處于不同相位的乘法器輸出（）的波形以及低通濾波器的輸出的電平（為直觀起見，圖中畫的與分量同號(hào)），從上述可知，乘法器具有相位檢波作用，因此常被稱為相敏檢波器.圖12-3相敏檢波器的相位檢波特性如果輸入信號(hào)有噪聲，與式（12-2）所示的參考信號(hào)為正弦波類似，在參考信號(hào)為方波的情況下，噪聲與參考信號(hào)的差額所組成的各種中頻，只有落在低通濾波器的等

6、效噪聲帶寬之內(nèi)的一小部分分量才對(duì)相關(guān)器的輸出有影響，這樣，信號(hào)可以從相關(guān)器通過，噪聲的絕大部分被濾波，埋在噪聲中的信號(hào)就被檢測(cè)出來(lái)。由于參考信號(hào)為方波時(shí)還沒有諧波響應(yīng)，因此相關(guān)器也可以檢測(cè)方波，而且總等效噪聲帶寬應(yīng)用下子計(jì)算精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案這里不再詳細(xì)討論，式中n=是低通濾波器的等效噪聲帶寬。對(duì)于給定白噪聲，噪聲典雅正比于等效噪聲帶寬的平方根。因此，鎖定放大器獲得的信噪比改善，是輸入信號(hào)的噪聲帶寬與相關(guān)器的等效噪聲帶寬之比的平方根，即2．同步積分器與相關(guān)器的聯(lián)合使用同步積分器的原理線路如圖12-4所示其中S是電子開關(guān)，由參考信號(hào)(方波)激勵(lì)，使兩個(gè)相同的電容C交

7、替與R連接。同步積分器的工作原理與相關(guān)器相似，不再討論，但相關(guān)器輸出是直流，它輸出是方波，當(dāng)輸入信號(hào)與參考信號(hào)同步時(shí)，方波幅度最大。同步積分器與相關(guān)器聯(lián)合使用見圖12—1，圖中各點(diǎn)波形及輸出的電平見圖12—5。同步積分器抑制噪聲力強(qiáng)，但輸出是方波，所以作為相關(guān)器的前級(jí)是很合適的，這樣鎖定放大器抑制噪聲能力更強(qiáng)，動(dòng)態(tài)范圍更大。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案(二)P-N結(jié)勢(shì)壘電容的測(cè)量原理在半導(dǎo)體器件原理與設(shè)計(jì)中知道，P-N結(jié)中存在勢(shì)壘電容，電容的大小與加在P-N結(jié)接鎖定放大器輸入端圖12-6P-N結(jié)勢(shì)壘電容的測(cè)量原理上的偏壓有關(guān)，這里用鎖定放大器來(lái)測(cè)定二極管p-N結(jié)反向直流