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1、 本科生毕业论文（设计）册 学院 河北师范大学职技学院 专业 应用电子技术教育 班级 2002级电子（1）班 学生 李燕 指导教师 王艳菊 河北师范大学本科毕业论文（设计）任务书编号：河北师范大学职技学院2006届073论文（设计）题目： 锁定放大器的研究 院系： 河北师范大学职技学院 专业：应用电子技术教育 班级： 2002级1班 学生姓名： 李燕 学号： 046D037006 指导教师： 王艳菊 职称： 副教授 1、 论文（设计）研究目标及主要任务介绍锁定放大器的原理，重点在于锁定放大器在微弱信号检测中的应用。2、 论文（设计）的主要内容 锁定放大器的原理和锁定放大器对阻抗微小变化的测量和
2、放大噪声系数的测量，虚拟软件系统与计算机的完美结合，使用虚拟软件系统软件具体介绍在锁定放大中的应用。3、 论文（设计）的基础条件及研究路线必被一定的基础知识理论，深入研究所定放大器的原理，详细介绍所定放大器的应用。及其对虚拟系统的简单介绍。4、 主要参考文献1中国科学院物理研究所微弱信号检测小组、江西庐山电子仪器厂，物理，6（1977），206。2曾庆勇 微弱信号检测M.南京：南京大学出版社 19863林俽 近代物理实验M.广州：广东教育出版社 19944陈佳圭 微弱信号检测M.北京：中央广播电视大学 19875崔燕 用锁相放大器测量热敏电阻的温度特性J 福建师范大学学报 5、 计划进度阶段起
3、止日期1学习锁定放大器的原理，查找资料4月18日-5月1日2熟悉内容，制定初稿5月1日-5月7日3编辑初稿，完成论文5月8日-5月28日指导教师签名： 系主任（教研室主任）签名： 年 月 日 年 月 日学院审查意见： 教学院长签名： 年 月 日河北师范大学本科生毕业论文（设计）开题报告书 河北师大职技 学院 应用电子技术教育 专业 2002 届学生姓名李燕论文（设计）题目锁定放大器的研究指导教师王艳菊专业职称副教授所属教研室基础教研室研究方向测试计量技术课题论证：锁定放大器（lock-in amplifier,LIA）在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，在科学研究的各个领域得到了广泛的应用，对
4、有些激光器用户来说，其中最普通最重要的应用之一是光谱学研究，既用以恢复微弱电光信号。尤其近二十年来，锁相放大器得到十分迅速的发展，我国在引进不少国外产品的同时，也研制了一些同类产品，而且需求量正在日益增加。在微弱信号检测中，根据信号与噪声各自不同的特点，通过特定的方法可以把信号检测出来。该仪器的输出信号是由最初的交流输入信号转换，并与其成正比放大的直流信号。本文就全面介绍锁定放大电路的组成，原理和具体的几个应用。本文还利用虚拟软件系统（VI）具体介绍在锁定放大中的应用，为实现复杂的测试和测量提供了可能节约了设计人员可贵的时间，并且为非程序员提供快速设计。方案设计：1锁定放大器的基本组成2. 介
5、绍锁定放大器的原理 3锁定放大器的主要应用 4. 用Labview软件具体介绍在锁定放大中的应用进度计划：1学习锁定放大器的原理，查找资料4月18日-5月1日2熟悉内容，制定初稿5月1日-5月7日3编辑初稿，完成论文5月8日-5月26日指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日教研室意见： 教研室主任签名： 年 月 日河北师范大学本科生毕业论文（设计）文献综述锁定放大器（lock-in amplifier,LIA）自问世以来，再微弱信号检测方面显示出优秀的性能，在科学研究的各个领域得到了广泛的应用，推动了物理、化学、生物医学、地震、海洋等行业的发展，在微弱信号检测中，根据信号与噪声各自不同的特
6、点，通过特定的方法可以把信号检测出来。锁相检测就是微弱信号检测常用的一种方法。相敏检测器是锁定放大器的核心部件，它既鉴幅又鉴相，它的输出不但取决于输入信号的幅度，而且取决于输入信号与参考信号的相位差。常用的相敏检测器有模拟乘法器式和电子开关式。锁定放大器（LIA）是微弱信号检测的重要手段，例如，分子束质谱仪、扫描电镜（SEM）、软X射线激发电位能谱仪（SXAPS）、俄歇（Auger）电子谱仪等仪器中都采用了锁定放大器。在国外常把这类仪器成为锁定放大器。可理解为：把待测信号中与参考信号同步的信号检测出来。因此，将锁定放大器成为“锁定检测仪”或“同步检测仪”或许更为贴切。但是目前国内都称为“锁定放
7、大器”或“锁相放大器”。 交流电桥经常用来测量阻抗的变化，以检测出被测物理量或化学量。20世纪70年代以后，人们开始用变压器桥来测量阻抗的微小变化。20世纪80年代后，集成运算放大器的性能越来越好，人们开始利用运算放大器桥来测量阻抗的微小变化，这样可以避免绕制变压 器的不便。锁定放大器发展到今天，种类已有很多，例如，正交矢量型锁定放大器、外差式锁定放大器、旋转电容滤波器式锁定放大器、微机化数字式相敏检测器等等！ 微机化数字式相敏检测器（DPSD）的核心部件是微型机算计，锁定放大所必须的各种滤波、相敏检测等功能都由微型机算计软件来实现。DPSD的动态范围可大于120dB，信噪比改善可达70dB，
8、最低工作频率可到豪赫兹量级。随着集成电路技术和计算机技术的发展，微型机算计的工作速度越来越快，成本越来越低，为实现DPSD提供了很好的硬件条件。所以，计算机必将在微弱信号检领域发挥越来越大的作用。 虚拟仪器（Virtual instruments 简称VI）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略的说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机的功能日益强大以及其体积的日益缩小，这种仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方法是仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能
9、。 总之虚拟仪器与计算机的结合使得我们在研究锁相放大器时，得到了简便快捷的方法，为实现复杂的测试和测量提供了可能节约了设计人员可贵的时间，并且为非程序员提供快速设计。河北师范大学本科生毕业论文（设计）翻译文章数据采集同步滤波器在锁定放大器中的应用摘要：锁定放大器是用同步滤波器来代替相敏检测器，同步滤波器是基于信号采样的方法提供了一个极其窄的带通滤波器的特性，它的中心频率能够通过调整频率很容易的控制，因为滤波器比相敏检测器在谐波时有更小的响应，误差所引起的和声变得也很小，并且对滤波器的性能的要求也比较灵活。通过锁定放大器噪声中的微小信号能够准确的检测出来，而不像在传统锁定放大器需要通过繁琐的相位
10、调整。 1引言锁定放大器运用了相敏检测器和低通滤波器，不仅提供了对频率的高选择性，而且即使在中心频率，也有一个拒绝相外噪声性能。在测量相位和分布求积分中，相敏检测是不可或缺的。当检测大量的某一频段的信号时，它的性能使操作繁琐乏味，参数的变化使相位发生漂移，例如，一个滤波网络检测它的频率响应。对每一个参数都必须进行相位调整。在许多锁定放大器中相位灵敏调解器被设置是为模拟开关式相位检测器，它巨大动力范围，对被检测信号的奇和声产生响应，有害信号的初步滤波就能够避免误差。一个调谐滤波器，经常用来做为预滤波，然而相频检测依赖于通频带，在PSD输出信号的微小变化就会引起大量的误差。于PSD相比，新式的锁定
11、放大器借助同步滤波应用了参考频率。这个滤波器所提供的定相频率选择性与一般的锁定放大器一样高，除此之外滤波器对和声的响应也比PSD小得多。2锁定放大器概述它的结构分为两个部分；信号通道，用来处理被测信号。参考通道，提供同步滤波器的驱动信号来调谐参考频率。参考通道能够同时工作在内部模式和外部模式，这和传统锁定放大器一样。下面就详细介绍它的工作性能。 （1）信号通道信号通道主要由前置放大器，预滤波，同步滤波器升压放大器，RMS检测器及指示器。前置放大器把输入信号增益达到100分贝。通过两个通道所形成的接地环路中差分输入，减少了噪声的生成。预滤波消除了信号的残留边带，有害通频带；它们是5fc,7fc,
12、等等。这些对频率的要求和传统锁定放大器的预滤波的衰减斜率对频率的要求是完全不同的，很容易解决预滤波的相位特性问题。当锁定放大器与外部参考信号一起工作时，预滤波必须被省却或者通频带必须被展宽以免限制扫描范围。在这种情况下比起一般的锁定放大器，运用同步滤波来测量受噪声影响的微弱信号减少误差。（2）参考通道同步滤波需要6相位驱动信号。通过工作在6fc的时钟频率的6-bit环计算器，信号很容易被产生。在内部模式操作中，一个可变电压源E，为航向控制振荡器提供控制电压产生时钟信号。环状计算器的两个输出让一个R-S重复设置产生方波信号。这个方波为后继同步滤波器提供了与信号通道相同频率的波形。和低通滤波器的边
13、带限制相联系，同步滤波器只提取方波信号中的基波成分。正弦信号的获得以用来作为参考输出信号。信号通道中的低通滤波器和预滤波器的斩波是通过在电源E和控制面板交汇处相同方法设置的。参考通道的功能是为相敏检测器（PSD）提供与被测信号相干的控制信号。参考通道由方波发生电路和移相电路组成,其作用是提供一个与输入信号同相的方波,调整移相电路使参考信号与有用信号相位一致,从而信噪比改善为最佳.参考输入可以是正弦波、方波、三角波、脉冲波或其他不规则形状的周期信号，其频率也是载波频率w。，由触发电路将其变换成为规则的同步脉冲波。参考通道的输出r(t)可以是正弦波，也可以是方波。为了防止r(t)的幅度漂移影响锁定
14、放大器的输出精度，r(t)最好采用方波开关信号，其正负半周之比为11，在下节介绍锁定放大原理时我们分别以正弦波和方波为例，来进行比较。移相电路是参考通道的中心部件，它可以实现按级跳变的相移（，）和连续可调的相移（0）。移相电路可以是模拟门积分比较器，也可以用锁相环（PLL）实现，或用集成化的数字式鉴相器、环路滤波和压控振荡器（VCO）组成。Lock-in amplifier using asampled-data synchronous filterYushi Komachi and Sueo TanakaSchool of Science and Engineering, Waseda Un
15、iversity,Shinjuku-ku, TokyoReceived 13 December 1974, infinalform 9 June 1975Abstract ：A lock-in amplifier is constructed using a synchronous filter instead of a phase sensitive detector. The synchronous filter based on a signal sampling method offers an extremely narrow bandpass characteristic whos
16、e centre frequency can be easily controlled by its drive frequency. Since the filter makes smaller responses for harmonics of the signal at the tuned frequency than a phase sensitive detector, the error due to the harmonics becomes less and required performances of a prefilter are relaxed. By this l
17、ock-in amplifier the magnitude of a low-level signal affected by noise can be measured accurately without annoying phase adjustments which are required in a conventional lock-in amplifier.1 Introductionlock-in amplifier employing a phase sensitive detector (PSD) and following low-pass filter, offers
18、 not only a high frequency selectivity but also an out-of-phase rejection even for the signals at the centre frequency (Cox 1953, Marton 1962, Danby 1970). The phase sensitive performance is indispensable in the measurements where an in-phase component and a quadrature one must be detected separatel
19、y. When only the magnitude of a signal at a certain frequency is to be measured, however, the performance makes the operation annoying and tedious. This is particularly true where variations of a parameter give rise to phase shifts, e.g. a filter network under test of its frequency responses. Phase
20、adjustments must be made for each setting of the parameter. In most lock-in amplifiers the PSD is implemented with analogue switches to achieve a large dynamic range, and so it responds to odd harmonics of the signal to be detected. Thus preliminary filtering of these unwanted signals is required to
21、 avoid the error due to them. A tuned filter, often used as the prefilter, has however a marked phase-frequency dependence at the passband and can give a considerable error at the PSD output by slight deviation from the correct tuning. Instead of a PSD, the novel lock-in amplifier described here emp
22、loys a synchronous filter which tunes to an applied reference frequency. The filter offers a phase insensitive frequency selectivity as high as one obtained in usual lock-in amplifiers, and besides the responses of the filter to the harmonics are much smaller than those of a PSD.plifier using 。2 Des
23、cription of the lock-in amplifierThe configuration is divided into two portions; signal channel where the signals to be measured are dealt with, and* reference channel which provides drive signals of the synchronous filter to tune it at reference frequencies. The referencechannel can work in both in
24、ternal mode and external mode, as often seen in conventional lock-in amplifiers. The details of the performances are as follows.（1） Signal channelThe signal channel consists of preamplifier, prefilter, synchronous filter, booster amplifier, RMS detector and indicator. The preamplifier amplifies inpu
25、t signals with the gain up to 100 dB. Its differential input reduces common mode noise produced in the ground loop formed by the two inputs, signal channel input and reference channel input. The prefilter eliminates signals at the frequencies in the remaining, unwanted passbands ; that is, 5fc, 7fc,
26、 etc. These frequencies are so different from the required frequency of f c that the attenuation slope of the prefilter need not be as steep as that of a prefilter required inconventional lock-in amplifiers. Moreover the phase characteristics of the prefilter do not matter. When a lock-in amplifieri
27、s worked with a sweeping external reference signal, a prefilter must be dispensed with or its passband has to be widened in order not to restrict the sweep range. In such a case the lock-in amplifier using the synchronous filter can measure a lou-level signal affected by noises and by the harmonics
28、with less error than a usual lock-in amplifier owing to the smaller harmonic responses.（2） Reference channelThe synchronous filter requires such 6-phase drive signals as shown in figure 2. The signals can be easily produced by a 6-bit ring counter working at the clock frequency of 6 fc. In the inter
29、nal mode operation, a variable voltage source E, supplies the control voltage of vco (voltage controlled oscillator) to generate the clock signal. Two outputs $1 and $4 of the ring counter let an R-S flip-flop set and reset respectively to form a square wave offc. This square wave is applied to the
30、following synchronous filter of the same type as in the signal channel. Associating with the band restriction of a low-pass filter (LPF l), the synchronous filter picks only the fundamental component out of the square wave. The sinusoidal wave of fc obtained is employed as a reference output signal.
31、 Cutoff frequencies of the low-pass filter and the prefilter in the signal channel are set by means of the same front panel dial in conjunction with the setting of E.待添加的隐藏文字内容2本科生毕业论文设计题目 锁定放大器的研究 作者姓名 李 燕 指导教师 王艳菊 所在学院 河北师范大学职技学院 专业（系） 应用电子技术教育 班级（届） 2002级1班 完成日期 2006 年 5 月 28 日目 录1 引 言 (1)2 锁定放大器
32、的基本组成(2)2.1 信号通道 (2)2.2 参考通道 (3)2.3 相敏检测器 (4)2.4 低通滤波器 (5)3 锁定放大器的工作原理(6)3.1 输入信号与参考信号为正弦信号 (6)3.2 输入信号为正弦信号参考信号为方波 (9)4 锁定放大器的应用(12)4.1 阻抗微小变化的测量 (13)4.2 放大器噪声系数测量 (14)5 应用虚拟仪器软件的仿真简介(18) 5.1 虚拟仪器 (18)5.2 虚拟仪器测试系统的构成框图 (19)5.3 虚拟仪器的实现 (20)结束语 (21)谢 词(22)参考文献 (23)河北师范大学本科生毕业论文（设计）评议书姓 名李燕学院河北师范大学职技学
33、院专业应用电子教育年级（班）2002级（1）班论 文 题 目锁定放大器的研究完成时间2006-5-28论文内容摘要锁定放大器（lock-in amplifier,LIA）自问世以来，再微弱信号检测方面显示出优秀的性能，在科学研究的各个领域得到了广泛的应用，推动了物理、化学、生物医学、地震、海洋等行业的发展，在微弱信号检测中，根据信号与噪声各自不同的特点，通过特定的方法可以把信号检测出来。锁相检测就是微弱信号检测常用的一种方法。本文就全面介绍锁定放大电路的组成，原理和具体的几个应用。 相敏检测器是锁定放大器的核心部件，它既鉴幅又鉴相，它的输出不但取决于输入信号的幅度，而且取决于输入信号与参考信号的相位差。常用的相敏检测器有模拟乘法器式和电子开关式。本文以模拟乘法器式为例来介绍其原理。 锁定放大器（LIA）是微弱信号检测的重要手段，已经被广泛应用于物理、化学、生物、医学、天文、通信电子技术等领域的研究工作中。例如，分子束质谱仪扫描电镜软X射线激发电位能谱仪等仪器中都采用了锁定放大器。这里只介绍几个典型的应用事例。阻抗微小变化的测量与放大器噪声系数测量。指导教师评语 年 月 日指 导 教 师王艳菊职 称副 教 授初评成绩答辩小组姓名职称教研室组长成员答辩情况记录： 记录人签字： 年 月 日答辩小组意见： 组长签字： 年 月 日学院意见： 评定成绩： 签章 年 月 日
