《第四章锁相放大器ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章锁相放大器ppt课件.ppt（64页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、微弱信号检测,4 锁相放大器,4.1 概述 4.1.1 特点 锁相放大器相当于高Q值带通滤波器，采用一种特殊的方法，利用低通滤波器代替带通滤波器，使“实际的”带通滤波器的Q值提高到107 左右，而且实现了一种特殊的带通滤波器，能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上。,1,4 锁相放大器,4.1 概述 4.1.2 原理,2,4.2 理论基础 4.2.1 相关检测原理(1)自相关检测,3,4 锁相放大器,4,xi(t)与ni(t)相互独立，则互不相关，因而为零。,当 xi(t)为白噪声、且足够大时，Rx()0。,当 ni(t)为振幅等于1的正弦信号，,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.
2、1 相关检测原理(1)自相关检测,5,xi(t)与ni(t)相互独立，则互不相关，因而为零。,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.1 相关检测原理(2)互相关检测,6,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.1 相关检测原理(3)的选择,对于互相关检测，,设被检测信号为正弦波,取=0,Rn()具有最大值。,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD)(1)乘法器型相敏检测器,Phase Sensitive Demodulator 相位灵敏调解器 相敏检测,正弦波信号、正弦波参考,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(1)乘法器型相敏检
3、测器,正弦波信号、正弦波参考,幅频特性,LPF为一阶 RC 低通滤波器 幅频相频特性,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号、正弦波参考,幅频特性,LPF为一阶 RC 低通滤波器,0,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号、正弦波参考,幅频特性,LPF为一阶 RC 低通滤波器,-3dB带宽（半边带）,-6dB带宽（半边带）,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号、正弦波参考,相频特性,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关
4、器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号、方波参考,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号单频等幅噪声、正弦波参考,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,信噪改善(正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考),输入噪声功率,输入信号功率,输出噪声功率,输出信号功率,4 锁相放大
5、器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,信噪改善(正弦波信号窄带白噪声、正弦波参考),若LPF为一阶 RC 回路（A01）,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(1)乘法器型相敏检测器,正弦波信号窄带白噪声、方波参考,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器(构成框图)(同乘法型PSD间的区别),变压器倒相加模拟开关,运算放大器倒相加模拟开关,方波参考 Vr=1,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器(波形图),方波参考 Vr=
6、1,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器(基本器件与电路),差分输出放大器 单刀双掷模拟开关,HC4053 三单刀双掷模拟开关,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器(基本器件与电路),差分输出放大器 单刀双掷模拟开关组合电路(乘法),方波参考,4 锁相放大器,4.2 理论基础 4.2.2 相关器构成(相敏检测器PSD)(2)开关型相敏检测器(基本器件与电路),IGFET单端输出集成运放组合电路(乘法),方波参考,4 锁相放大器,4.3 锁定放大器的组成 4.3.1 基本构
7、成,(1)信号通道 交流放大器(低噪前置AC放大)带通滤波器,4 锁相放大器,4.3 锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成,(1)信号通道 交流放大器 带通滤波器(LPFHPF 原理图),4 锁相放大器,4.3 锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成,(1)信号通道 交流放大器 带通滤波器(LPFHPF 特性曲线),4 锁相放大器,4.3 锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成(1)信号通道,(2)参考通道(过零单稳触发Ui移相Uo 方波形成),移相器,4 锁相放大器,4.3 锁定放大器的组成 4.3.1 基本构成(1)信号通道,移相器及其时序,(2)参考通道,RaRb，则 IbIa,4 锁
8、相放大器,4.3 锁定放大器的组成 4.3.2 正交矢量型锁相放大器,(1)基本原理,4 锁相放大器,4.3 锁定放大器的组成 4.3.2 正交矢量型锁相放大器,(2)正交参考信号的产生(原理图),4 锁相放大器,4.3 锁定放大器的组成 4.3.2 正交矢量型锁相放大器,(2)正交参考信号的产生(时序图),4 锁相放大器,4.3 锁相放大器的组成 4.3.3 外差式锁相放大器,(1)结构原理,特点：带通滤波器中心频率 fI 恒定，特性稳定。,4 锁相放大器,4.3 锁相放大器的组成 4.3.3 外差式锁相放大器(1)结构原理,(2)PLL频率合成器,4 锁相放大器,4.3 锁相放大器的组成
9、4.3.4 数字式锁相放大器,(1)结构原理,特点：频带宽，采用数字滤波和软件数字相敏检测适应 性强。还可以采用纯软件数字移相器，简化线路。,4 锁相放大器,4.3 锁相放大器的组成 4.3.4 数字式锁相放大器(1)结构原理,(2)软件数字相敏检测(波形),4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器,(1)基本结构,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器(1)基本结构,(2)特性分析,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器(1)基本结构,(2)特性分析,
10、传递函数,时域,频域,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器(1)基本结构,(2)特性分析,幅频特性,相频特性,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器(1)基本结构,(2)特性分析,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.1 旋转电容滤波器,(3)等效噪声带宽,Be=1.2337005501361698273Be1,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4
11、.4.2 旋转电容滤波器应用实例,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例,由于,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例,由于,频率为 f0 的方波，可以通过旋转电容滤波器。,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例,当,且 m=i,4 锁相放
12、大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.2 旋转电容滤波器应用实例,输入信号中m=l=1以外的谐波成分被LPF滤除,4 锁相放大器,4.3 旋转电容滤波器在锁相放大器中的应用 4.4.3 旋转电容滤波器实用电路,实测B3dB0.32Hz,4 锁相放大器,4.4 同步积分器 4.4.1 同步积分器电路结构及性能,+1,-1,p(t),4 锁相放大器,4.4 同步积分器 4.4.1 同步积分器电路结构及性能,初始条件u(0)=0,4 锁相放大器,4.4 同步积分器 4.4.1 同步积分
13、器电路结构及性能,初始条件u(0)=0,4 锁相放大器,4.4 同步积分器 4.4.1 同步积分器电路结构及性能,t 2RC 0,4 锁相放大器,4.5 锁相放大器的性能指标与动态协调 4.5.1 锁相放大器的主要性能指标,(1)量程FS(2)过载电平OVL(3)最小可测信号MDS(4)输入总动态范围(5)输出总动态范围(6)动态储备,4 锁相放大器,4.5 锁相放大器的性能指标与动态协调 4.5.2 锁相放大器动态范围与频率的关系,仅用宽带放大,使用BPF,使用LPF,使用BRF,4 锁相放大器,4.5 锁相放大器的性能指标与动态协调 4.5.3 锁相放大器的动态协调,OVL,FS,MDS,高稳定,OVL,OVL,MDS,MDS,高储备,4 锁相放大器,4.6 锁相放大器的应用 4.6.1 阻抗微小变化的测量,4 锁相放大器,4.6 锁相放大器的应用 4.6.2 光吸收的测量(斩波/光锁定),分光光度计,PMT:Photo Multiplier Tube光电倍增管,自相关函数,等效噪声带宽 Be,的证明,
