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。

x(t) 前放 滤波 放大 乘法 低通 自流放大器 U0 r(t) 放大 移相 方波 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

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总增益为10V/10nV =10若直流放大器增益为10倍，前置放增益为10，则交流放大器的

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增益达10。

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：

（1） 高低通滤波器

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fc1决定和fc2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(fi+2f0)及差频fi,再经具有中心频率为fi带通滤波后,输出变为中频信号fi ， (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fi 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。 放大 滤波 f0 f0 fi?f0 PSD1 fi?2f0 通频fi 带通滤波 fi PSD2 直流放 大 U0 fi r（t） f0 参考振荡源f1混频 图 3 同步外差技术原理框图

（3） 同步积分技术

图4为同步积分器的电路图。 同步积分器是一种RC积分电路,用电子开关使其轮流导通。电子开关由参考信号形成的开关方波控制,K1、K2和K3同时动作。当信号输入后，电容C就轮流充电，由于它是一种积分电路，故输出可以抑制噪音。输出频率为f0的方波，其幅度与输入信号幅度成正比，从而达到了抑制噪音，提取信号的目的，所以同步积分器也相当于一种可变中心频率的带通滤波器。

图 4 同步积分器原理图 2．参考通道

参考通道的作用是提供锁相放大器中PSD的开关方波。这种波应是一个具有正负半周

00

之比为1:1,频率为F的方波。开关方波的相位能在0－360之间任意移动,以保证输出信号Ｕ0能达到正或负的最大。由于方波的对称性,可以消除偶次谐波的响应。

参考通道的输入为频率f的正弦波,经移相,整形后得到开关方波。因此,对参考信号的频率和幅度有一定的要求,通常幅度应大于100 mＶ以上。另外,输入信号的波形可以是非正弦波,因为它可以通过整形达到规范化。

移相电路可以用RC移相网络。模拟门积分比较器。锁相环等组成。 3.直流放大器

由PSD输出的信号是直流电压或缓慢变化的信号,因此后续的电路应为直流放大器。直流通道主要问题是放大器零漂的影响。由于PSD输出的直流信号可能很小(特别是对微弱正弦信号的检测),因此要选择低漂移的运算放大器作为直流放大器的前置级。其次,器件的1/f噪声也是引起输出电压波动的原因,因此要求有尽量小的1/f噪声。 4.相关器

详见相关实验。

二.锁相放大器的特性参量

任何仪器均有自己的主要性能指标,锁相放大器是一种微弱信号检测仪器,可以实现在噪声中微弱正弦信号的测量,因此它的主要特性参量就是根据这个要求而确定的。 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, 锁相放大器最后检测的是与输入信号幅度成正比的直流电压,原则上与被测信号的频率无关,因此,频带宽度可以做得很窄。可采用一级普通的RC滤波器来完成频带压缩。所以锁相放大器的等效噪声带宽(ENBW)的定义。一个普通的一级RC滤波器,其传输系数

K?11??RC222

其等效噪声带宽

?f??K2df??0??0df1 （1） ?2224RC1??RC如取RC时间常数T?1s,则?f?0.25HZ。 2. 信噪比改善(SNIR)

对于锁相放大器的SNIR,可用输出信号的噪声带宽f与锁相检波器输出的噪声带宽f

之比的平方根来表示,即

SNIR??fni （2） ?fno令?fni?10kHZ,RC?1s,若用一级RC滤波,则?fno?0.25HZ,那么信噪比改善为200倍。 3. 动态范围