鎖定放大器在檢測微弱信號中的應用

楊建新 武銀蘭

(太原理工大學應用物理系 山西 太原 030024)

鎖定放大器(LIA)使用在很多場合，它是一個以解調器為核心的微弱信號檢測儀器，在噪聲大于信號數千倍以上時仍能正常檢測．自從鎖定放大器問世以來，它獲得了快速發展，性能指標有了很大提高.在物理、化學、生物醫學、天文、通信等領域得到廣泛的應用．從LIA的工作原理看，它對環境噪聲的抑制能力可以達到無限大，實際上并不能做到這一點．G.T.Gillies提出LIA 的測量誤差是輸入信號信噪比(SNR)的函數[1]．文獻[2]認為LIA的最小可測電壓受交流通道的等效輸入噪聲等因素的影響．

本文對微弱信號及加了噪聲的微弱信號用鎖定放大器進行了測試，結果表明鎖定放大器具有良好的檢測微弱信號的功能，同時也具有良好的抑制噪聲的能力，

1 鎖定放大器的基本原理[3]

鎖定放大器是以相干檢測技術為基礎，其核心部分是相關器，基本原理框圖如圖1所示．

圖1 鎖定放大器原理框圖

鎖定放大器的主要由三部分組成，即：信號通道(相關器前那一部分)、參考通道和相關器(包括直流放大器) .

1.1 相關器

相關器是鎖定放大器的核心部件．鎖定放大器中的相關器，通常采用圖2所示的形式，由一個開關式乘法器(×)與低通濾波器(LPF)組成．

圖2 鎖定放大器中的相關器

令圖2中輸入開關乘法器的被測信號UA(t)和參考信號UB(t)分別為

(1)

(2)

則開關乘法器的輸出信號為

U1(t)=UA(t)·UB(t)=

UAUBcos[(ωA+ωB)t+(φA+φB)]+

UAUBcos[(ωA-ωB)t+(φA-φB)]

(3)

可見開關乘法器的輸出由和頻ωA+ωB和差頻ωA-ωB兩部分組成．當ωA=ωB或ωA在ωB附近時，則以低通濾波器組成的積分器取出差額分量來檢測信號．當ωA=ωB時，低通濾波器LPF的輸出為

U0=KUAcosφ

(4)

式中K為總的放大倍數；UA為被測信號的大小；φ為被測信號與參考信號的相位差，即φ=φA-φB.

1.2 信號通道

信號通道是相關器前的一部分，由低噪聲前置放大器、各種功能的有源濾波器、主放大器等部分組成．其作用是把微弱信號放大到足以推動相關器工作的電平，并兼有抑制和濾掉部分干擾和噪聲，擴大儀器的動態范圍．

1.3 參考通道

其作用是產生與被測信號同步的參考信號輸給相關器．通常鎖定放大器的參考通道輸出是和信號同步的對稱方波，用以驅動相關器的場效應管開關．

2 實驗內容

2.1 儀器

(1)雙蹤通用示波器一臺；

(2)微弱信號檢測技術實驗綜合裝置.

2.2 實驗步驟

(1)連接電路,如圖3所示.

圖3 實驗電路圖

(2)接通電源，預熱2 min，調節多功能信號源使輸出頻率為1 kHz左右、電壓為100 mV的正弦波，調節ND-601型精密衰減器的衰減為1 000倍，前置放大器“增益”開關置×1 000擋，Q值置“3”，選頻頻率置“1 kHz”．相關器“交流放大倍數”置×10擋，“直流放大倍數”置×10擋．“時間常數”置1 s．

(3)調節選頻放大器的選頻頻率使輸出信號電壓最大．然后，改Q為“30”，重復調節選頻頻率，使輸出電壓最大，表明選頻放大器的諧振頻率為信號頻率．然后，改示波器觀察“PSD輸出”，調節寬帶相移器的相移，使相關器直流輸出為零，再把寬帶相移器的相移90°，這時相關器輸出直流電壓最大，即為鎖定放大器的輸出電壓．

3 實驗結果

(1)待測信號Ui=100 mV,f=1 000 Hz.無噪聲，如圖4所示.

圖4 無噪聲實驗圖像

選頻放大器頻率

f=1 002 Hz

直流輸出

U0=8.78 V

輸入衰減器的電壓，即被測電壓

Ui=87.8 mVf=1 002 Hz

(2)待測信號Ui=100 mV,f=1 000 Hz,U噪=300 mV，如圖5所示.

圖5 有噪聲實驗圖像

選頻放大器頻率

f=1 004 Hz

直流輸出

U0=8.12 V

輸入衰減器的電壓，即被測電壓

Ui=81.2 mV

f=1 004 Hz

從波形上講，有一定失真．

(3)在不同的噪聲幅度下，對更微弱信號Ui=10 mV,f=1 000 Hz的信號進行測量，結果如下表1所示.

表1 不同噪聲下的輸出結果

4 結論

鎖定放大器可以對一個微小信號進行測量，不但可以進行幅度的測量，也可以進行頻率的測量， 由于放大倍數不一定十分精確，測量結果有一定偏差．對同一個大小的輸入信號，隨著噪聲的增加，輸出有一定減小，波形失真也會逐漸加大，說明鎖定放大器對小噪聲有一定抑制能力，對過大的噪聲，輸入信號將被淹沒．

參考文獻

1 Gillies G T，Allison S W. Precision Limits of Lock-in Amplifiers below Unity Signal-to-noise Ratios.Rev Sei Instrum,1986, 57(2): 268～270

2 戴逸松. 鎖定放大器的最小可測電壓分析. 數據采集與處理, 1996, 11(2): 99～102

3 唐鴻賓.微弱信號檢測技術.南京:南京大學電子科學與技術系，微弱信號檢測中心,2002.98～100