鎖相放大��(shí)際上是一�(gè)模擬的傅立葉變換�,鎖相放大器的輸出是一�(gè)直流電壓,正比于是輸入信�(hào)中某一特定頻率(參�(shù)輸入頻率)的信號(hào)幅值。鎖相放大器被使用來偵測(cè)和量�(cè)非常小的交流訊號(hào)直至�(shù)�(gè) nV。甚至當(dāng)訊號(hào)被比它大�(shù)仟倍雜訊掩蓋時(shí),可以做正確的量�(cè)。主要優(yōu)�(diǎn)為”窄的頻寬�,能將電路特定的頻率與相位抓�,并過濾掉雜訊而可�(zhǔn)確量得訊�(hào)�
1962年美國EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前�) 的臺(tái)鎖相放大�(Lock-in Amplifier,簡(jiǎn)稱LIA)的發(fā)明,使微弱信�(hào)檢測(cè)技�(shù)得到�(biāo)志性的突破,極大地推動(dòng)了基�(chǔ)科學(xué)和工程技�(shù)的發(fā)�。目前,微弱信號(hào)檢測(cè)技�(shù)和儀器的不斷�(jìn)�,已�(jīng)在很多科�(xué)和技�(shù)�(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)�,未來科�(xué)研究不僅�(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)技�(shù)提出更高的要�,同�(shí)新的科學(xué)技�(shù)�(fā)展反過來促�(jìn)了微弱信�(hào)檢測(cè)新原理和新方法的誕生�
早期的LIA是由模擬電路�(shí)�(xiàn)的,隨著�(shù)字技�(shù)的發(fā)�,出�(xiàn)了模擬與�(shù)字混合的LIA,這種LIA只是在信�(hào)輸入通道,參考信�(hào)通道和輸出通道采用了數(shù)字濾波器來抑制噪�,或者在模擬鎖相放大器(�(jiǎn)稱ALIA)的基礎(chǔ)上多了一些模�(shù)�(zhuǎn)換(ADC�、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)和各種通用�(shù)字接口功�,可以實(shí)�(xiàn)由計(jì)算機(jī)控制、監(jiān)視和顯示等輔助功�,但其核心相敏檢波器(PSD)或解�(diào)器仍是采用模擬電子技�(shù)�(shí)�(xiàn)�,本�(zhì)上也是ALIA。直到相敏檢波器或解�(diào)器用�(shù)字信�(hào)處理的方式實(shí)�(xiàn)�,就出現(xiàn)了數(shù)字鎖相放大器(簡(jiǎn)稱DLIA),DLIA比ALIA有許多突出的�(yōu)�(diǎn)而倍受青睞,成為現(xiàn)在微弱信�(hào)檢測(cè)研究的熱�(diǎn),但是在一些特殊的�(chǎng)合中,ALIA仍然�(fā)揮著DLIA不可替代的作��
我們欲� 鎖相放大� 中可�(zhǔn)確的輸出1V的電�,精�(zhǔn)的量�(cè) I+與I-間待�(cè)樣品的特�。所以量�(cè)前必須做好校正工�。校正步驟如下:
1.待測(cè)樣品量測(cè)前,可先用電表量�(cè)待測(cè)物的電阻,再判斷量測(cè)�(shí)所須之電流大小,這的步驟很重要,一旦判斷錯(cuò)�,使用的電流太大�(huì)燒壞樣品�
2.�(zhǔn)備一校正用電阻盒,盒�(nèi)有一組可變電�(1MΩ�10MΩ�100MΩ�1GΩ)和一用來校正電流的精密電� 10KΩ(假設(shè)樣品電阻� 10KΩ)3. 鎖相放大�(1) 先將 鎖相放大� � sensitivity 先調(diào)到,再按� 鎖相放大� 校正接線�(如圖�)接線�
(2) 假設(shè)需要量�(cè)電流� 10-7A,可變電阻選� 10MΩ,看電表顯示的數(shù)值,再將 鎖相放大� � sensitivity �(diào)至適�(dāng)?shù)臋n�(1mV),直到電表顯示數(shù)值接�10V(電表看到的數(shù)值是 鎖相放大器將輸出電壓放大 10倍的�(jié)�)�
(3) 輸出�(shí)際訊�(hào)大小(OSC LvL)�(shè)定為 1V,頻�(OSC F)�(diào)整至� 60互質(zhì)的數(shù)(例如�23),為避免受周圍環(huán)境雜訊的干擾,調(diào)整訊�(hào)的相�(REFPH),將虛部訊號(hào)(訊號(hào)相位 90o)�(diào)整至接近0-V、虛部訊�(hào)(訊號(hào)相位 270o)�(diào)整至接近 0+V,實(shí)部訊�(hào)(訊號(hào)相位 0o�180o)�(diào)整至 10V。數(shù)值表示如下表
鎖相放大器是以相干檢�(cè)技�(shù)為基�(chǔ),利用參考信�(hào)頻率與輸入輸入信�(hào)頻率相關(guān),與噪聲信號(hào)不相�(guān),從而從較強(qiáng)的噪聲中提取出有用信�(hào),使得測(cè)量精度大大提高,而它的核心部件為相敏檢測(cè)器(phase sensitive detector,簡(jiǎn)稱PSD,又稱相�(guān)器),圖1所示為鎖相放大器的原理框圖�
�1鎖相放大器原理圖
相敏檢測(cè)器是由乘法器和積分器組成,其中乘法器一般采用開�(guān)乘法器,積分器通常由低通濾波器組成,圖2給出相敏檢測(cè)器的�(gòu)成原理圖�
�2相敏檢測(cè)器原理圖
一. 模擬鎖相放大器(ALIA�
SIGNAL RECOVERY公司�5209 �5210�5105�5106型是通用的ALIA,圖是其典型的結(jié)�(gòu),主要由信號(hào)輸入通道、參考輸入通道、相敏檢波器和正交相敏檢波器、輸出通道、微處理器和輔助�(shù)字部分組�。輸入通道包括信號(hào)輸入、低噪聲前置放大、電流電壓轉(zhuǎn)�、放大和組合濾波�。信�(hào)輸入有三種方式:?jiǎn)味穗妷狠�?,差分電壓輸入和電流輸入方式,可以適�(yīng)被測(cè)信號(hào)為電壓和電流兩種形式。在被測(cè)信號(hào)為電壓信�(hào)的情況下,單端電壓輸入方式是常用的方�,如果信�(hào)中存在共模干擾信�(hào),就采用差分輸入方式。低噪聲前置放大器的增益可調(diào),也可根�(jù)頻率和源阻抗選擇最小噪聲因子的外接低噪聲前放或阻抗匹配變壓�,濾波器組主要分為陷波濾波器、組合濾波器,陷波濾波器是濾除工頻及其二次諧波的干擾;組合濾波器可靈活組成低通、高�、帶通和陷波四種模式。參考輸入通道由參考觸�(fā)、內(nèi)部時(shí)鐘、可�(diào)相移器和90o固定相移器組�0~370o可變移相。參考輸入可用外部輸�,或�(nèi)部時(shí)鐘信�(hào)(也可輸出用作被�(cè)信號(hào)的同步調(diào)制),由于參考觸�(fā)整形電路的存�,只要求外部參考信�(hào)在一�(gè)周期�(nèi)有兩�(gè)過零�(diǎn)并且有一定的幅度,這意味著方波、三角波和其它信�(hào),以及如TTL信號(hào)或邏輯電平等,都可以像正弦信�(hào)一樣作為參考信�(hào)使用;內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生內(nèi)部相位開�(guān)來驅(qū)�(dòng)相敏檢波器和正交相敏檢波�,使儀器運(yùn)行于正交的雙相ALIA模式。相移器的調(diào)節(jié)使輸入信�(hào)與參考信�(hào)的相位差為零。在雙相位ALIA��90o相移器輸出一�(gè)與輸入信�(hào)正交的參考信�(hào),用來驅(qū)�(dòng)兩�(gè)相敏檢波�,同樣通過后續(xù)的低通濾波器,分別檢�(cè)被測(cè)信號(hào),經(jīng)過直流放大器由電壓表顯示其結(jié)��
�. �(shù)字鎖相放大器(DLIA�
如果LIA的相敏檢波器(或同步解調(diào)器)是用�(shù)字信�(hào)處理的方式實(shí)�(xiàn)的,就成為DLIA。SIGNAL RECOVERY公司提供了多種的、系列的DLIA,如7210�7225�7225BPF�7265�7280�7280BFP�,其原理如圖2所示。一般的�(jié)�(gòu)包括以下一些部�,即信號(hào)輸入通道、參考輸入通道、數(shù)字相敏檢波器、正交數(shù)字相敏檢波器、數(shù)字低通濾波器、輸出通道、輔助輸入通道、輸出微處理�、輔助輸出通道和微控制器部�。其中信�(hào)的輸入通道與ALIA相同,只不過是交流放大必需保證�(zhuǎn)換為�(shù)字信�(hào)�(shí)有足夠大的幅�??够殳B濾波器是模擬信號(hào)�(shù)字化之前所要考慮�,其作用是濾除不需要的頻率信號(hào),并將要�(shù)字化的信�(hào)在不失真前提下將其頻率上限限制在采樣頻率的一半以�,避免ADC的信�(hào)出現(xiàn)虛假信號(hào),即主ADC的采樣頻率必須滿足采樣定�。被�(zhuǎn)換后的數(shù)字信�(hào)被送入�(shù)字信�(hào)處理器(DSP)中,依�(jù)一定的算法完成相敏檢波器的功能,再通過�(shù)字低通濾波器后獲取差頻后的直流信�(hào)。參考通道以信�(hào)輸入通道相同的采樣速率提供�(shù)字相敏檢波器所需要的相位信息,參考輸入通道同樣有內(nèi)部和外部參考信�(hào)兩種。在外部參考信�(hào)模式�,輸入的模擬參考信�(hào)或邏輯電�,被一�(gè)DSP單元采用�(shù)字鎖相環(huán)算法�(cè)量其頻率,并�(chǎn)生所需要的相位信號(hào)。在�(nèi)部參考信�(hào)的模式下,只需要給參考DSP單元輸入所需要的參考信�(hào)頻率�,就可以在所選定的頻率上�(chǎn)生數(shù)字相敏檢波處理單元所需要的相位信號(hào),這種方式不需要外部參考信�(hào)和ALIA所需要的相位鎖相�(huán),因此不需要時(shí)間鎖相就可直接輸出相位信�(hào),降低了相位噪聲。參考通道中的n倍頻器不僅可以在與輸入信�(hào)相同的頻率上�(jìn)行鎖�,而且還可以在輸入信號(hào)的n倍諧頻上�(jìn)行鎖相檢�(cè),這在俄歇光譜�(xué)等領(lǐng)域中是非常有用的,但是n倍頻后頻率是受參考頻率限制的。參考信�(hào)處理單元也可�(shí)�(xiàn)�(shù)字參考相�,其精度可達(dá)到毫�。同相相位和正交相位信號(hào)在數(shù)字處理單元中一般通過查詢的方式實(shí)�(xiàn),可以使同相相位信號(hào)和正交相位信�(hào)同時(shí)提供給兩�(gè)�(shù)字解�(diào)�,使輸出的兩�(gè)分量能同步輸�。輸出通道中的�(shù)字低通濾波器,可以減小模擬濾波器的截止頻率不�(wěn)定所造成的誤�。輸出DAC將數(shù)字信�(hào)�(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出,輸出處理單元可以通過和的平方根算法和除法算法�(jì)算出被測(cè)信號(hào)的幅值和相位。輸出微處理器可以對(duì)從輔助ADC的數(shù)字信�(hào)�(jìn)行必要的�(yùn)算,在通過DAC�(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出或數(shù)字顯�。另外DLIA還包括一�(gè)微控制器,該微處理器有輔助數(shù)字輸出、數(shù)字顯�,鍵盤通訊,IEEE-488通訊和RS233通訊功能�
與ALIA相比,DLIA有以下優(yōu)�(diǎn)�
?�?)由于DLIA在輸出通道中沒有直流放大器,可以避免直流放大器的工作特性隨�(shí)間變化的不穩(wěn)定性和由于溫度變化引起的溫度漂移帶來的干擾,這是ALIA不可解決的問題之一�
?�?)DLIA的內(nèi)部晶振時(shí)鐘源隨時(shí)間和溫度變化�,用這種�(wěn)定性高的時(shí)鐘源來做�(diào)制信�(hào)和參考信�(hào)能降低參考信�(hào)的不�(wěn)定所帶來的誤�,同�(shí)在內(nèi)部參考模式中,數(shù)字信�(hào)處理單元能在最短時(shí)間甚至能不需要延�(shí)就能完成鎖相功能,尤其在頻率掃描�(cè)量中有其明顯的優(yōu)�(diǎn)�
�3� 如果被測(cè)信號(hào)有較�(qiáng)的正交�,采用DLIA的高性能的正交解�(diào)技�(shù),使微弱信號(hào)檢測(cè)精度能得到很大程度上的提��
?�?)隨著技�(shù)的發(fā)�,數(shù)字信�(hào)處理單元的性價(jià)比提高,使DLIA的性價(jià)比也得到相應(yīng)的提�,數(shù)字鎖相技�(shù)將會(huì)更深入地影響未來的測(cè)量技�(shù)�
維庫電子通,電子知識(shí),一查百��
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