锁相放大器实验报告.pdf

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1、 广东第二师范学院学生实验报告 院（系）名称 物理系 班别 11 物理本四 B 姓名 专业名称 物理学（师范）学号 115506020 实验课程名称 近代物理实验 实验项目名称 锁相放大器实验 实验时间 2014年12月25 日 实验地点 物理楼五楼实验室 实验成绩 指导老师签名 内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果与分析、实验心得 实验目的：锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。实验使用仪器与材料：ND-501

2、 型微弱信号检测实验综合装置、相敏检波器、示波器、接线及接线口若干。实验步骤：(一)、实验仪器 图 5 是 ND-501 型微弱信号检测实验综合装置的面板图，该装置把微弱信号检测技术的基本实验部件装在一个插件盒内，由一个能同时插四个插件盒的带电源的机箱，通过插入不同的实验部件盒组成不同类型的微弱信号检测仪器。(二)、锁相放大器的特性和工作参数测定 本实验使用 ND-501 型微弱信号检测实验综合装置观察锁相放大器的特性并测量其工作参数。1、参考信号通道特性研究 调节多功能信号源的输出信号为正弦波，用频率计测量其频率，用交流直流噪声电压表测量信号的幅度，调节输出信号的频率为 1kHz 左右，幅度

3、大小为 100mV 左右。然后按图 6 所示接线，按下宽带移相器0移相按钮，调节 0100相位调节按钮，用示波器观察宽带移相器的输入和输出信号的波形的变化，最后使相位差计显示参考信号和输入信号的相位差分别为 0、90、180、270对比画出宽带移相器的输入和输出信号的波形。改变信号的幅值和频率，观察同相输出信号幅值和频率的变化，并做简要分析。交流直流 噪声电压表 同步 积分器 相关器 125 多点信号 平均器 电 源 电 源 电 源 1025 频率计 多功能 信号源 宽带移相器 相位计 125 低噪声 前置放大器 选频 放大器 有源 低通、高通 滤波器 跟踪 滤波器 图 5 ND-501 型微

4、弱信号检测实验综合装置 调节信号源，使输出波形分别为三角波和方波，重复上述观测。2、相敏检波器的特性研究及主要参数测量(1)相敏检波器 PSD 输出波形和电压测量 按图 7 接线，置交流放大倍数为1，直流放大倍数为10，相关器低通滤波时间常数置 1 秒，调节宽带移相器的相移量，用示波器观察信号、参考信号及PSD 的输出波形并分析它们之间的关系，测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间幅值及相位差的关系，用相位计测量值大小，记录参考信号和输入信号的相位差分别为 0、90、180、270时，PSD 输出直流信号udc在示波器上输出的波形。与图 1 比较，分析相关器的原理。(2)相关器的谐波响

5、应的测量与观察 将图 7 中宽带移相器的输入信号接至多功能信号源的“倍频分频输出”，多功能信号源功能“选择”置“分频”，此时，参考信号的频率为信号频率的 1/n次倍。先置分频数为 1，调节移相器的相移，使输出直流电压最大，记录输出直流电压的大小。改变n的数值分别为 2，3，4，5，进行上述测量，根据测量结果画出相关器对谐波的响应图。(3)相关器对不相关信号的抑制 按图 8 所示接线，多功能信号源的输出正弦信号为相关器的输入信号，低频信号源的输出信号作为相关器的干扰信号，由相关器的“噪声输入”端输入。由示波器观察相关器的“加法器输出”波形与“PSD输出”波形，用电压表测量输入信号，干扰信号，相关

6、器输出信号大小，由频率计测量信号和干扰信号的频率。选择相关器的交流放大倍数为1，直流放大倍数为10，时间常数 1 秒，调节多功能信号源的频率为200Hz(可以任选)，电压为 100mV，调节低频信号源的输出电压为 0(即相关器输入信号不混有干扰信号)，调节宽带相移器的相移量，使相关器输出的直流电压最大。记录“加法器输出”，“PSD 输出”波形及相关器输出的直流电压(正比于输入信号的有效值)。调节低频信号源的输出电压为 300mV，即干扰电压为待测量信号电压的 3 倍。任选一工作频率(例如为 930Hz)。由示波器观察“加法器输出”“PSD 输出波形”，观测此时被测信号与干扰信号波形及相关器的输

7、出直流电压变化。改变干扰信号的频率，观察相关器对不相关信号的抑制能力，对实验现象进行总结，分析相关器抑制干扰的能力。图 7 相关器 PSD 波形观测 多功能 信号源 输出 宽带移相器 输入 同相输出 相位计 信号输入 参考输入 示波器 CH1 相关器 参考输入 直流输出 信号输入 PSD输出 交流、直流噪声电压表 输入 多功能 信号源 输出 宽带移相器 输入 同相输出 相位计 信号输入 参考输入 示波器 CH1 CH2 图 6 参考通道特性观测 (4)相关器对噪声的抑制及等效噪声带宽 白噪声电压与带宽有关，通过高、低通滤波器可以组成一个已知带宽的带通滤波器来确定噪声带宽。对于二阶有源滤波器信号

8、带宽fs与等效噪声带宽fN关系为：fN=(/2)fs 测试方框图如图 9 所示。白噪声信号源通过高低通滤波器组成的带通滤波器的限制，使高通、低通滤波器的输出为已知等效噪声带宽的噪声源，输给相关器的噪声，白噪声电压的大小由交流、直流、噪声电压表测量，在测量白噪声电压时，给出的是白噪声的均方根电压，注意，只能用 2V 量程档测量噪声电压。高通，低通滤波器的高通截止频率选在 250HZ，低通滤波器的的截止频率选在 25kHz，则等效噪声带宽fN=(/2)fs=(/2)(25000-250)Hz=39kHz。相关器选KAC10，KDC10，T1 秒。输入信号频率fs1kHz，Vsi50mV，先不加白噪

9、声干扰信号。调节相移器的相移，使输入信号与参考信号同相，并用示波器观察“加法器输出”“PSD 输出”的波形，用电压表测量输出电压。白噪声信号由相关器“噪声输入”输入，作为干扰信号，用示波器观察“加法器输出”的信号与噪声相混的波形。调节白噪声信号源的输出幅度或与高、低通滤波器的放大倍数相配合调节，使输入白噪声均方根电压为 100mV。用示波器观察“加法器输出”信号与噪声相混的波形和“PSD 输出”波形。用电压表测量相关器输出的信号电压和噪声电压，计算输出信号的信噪比，根据输入输出信噪比计算 SNIR，与公式(12)计算的理论值比较。改变时间常数T=0.1s 和T=10s，从示波器上观察直流输出信

10、号的波形，比较不同时间常数下的信号波形，同时可以利用 2V 量程档测量不同时间常数下的直流输出信号中的噪声电压，了解相关器对噪声的抑制能力。图 9 相关器对噪声的抑制 多功能 信号源 正弦输出 宽带移相器 输入 同相输出 频率计 输入 示波器 CH1 相关器 参考输入 直流输出 信号输入 PSD输出 交流、直流噪声电压表 输入 加法器输出 噪声输入 高、低通滤波器 输出 CH2 输入 噪声输出 白噪声 交流 直流 图 8 相关器对不相关信号的抑制 多功能 信号源 正弦输出 宽带移相器 输入 同相输出 频率计 输入 示波器 CH1 相关器 参考输入 直流输出 信号输入 PSD 输出 交流、直流噪

11、声电压表 输入 加法器输噪声输入 低频 信号源 正弦输出 CH2 干扰 信号 直流 实验数据整理与归纳：1、参考信号通道特性研究 利用多功能信号源输出正弦波，其频率为 1000hz，电压大小为 100.3mV，调节相移器的 0、90、180、270移相按钮，示波器 ch1 通道是输入的正弦波形，ch2 通道输出的是通过移相器后的信号波形，记录如下：表 1 移相器移动 0、90、180、270 时的输入输出信号（正弦波）图像 相位 0 90 图像 相位 180 270（1）调节 0100相位调节旋钮，增大移相的角度时，波形没有变化，方波略向左移。当增大输入信号的幅值时，ch1 通道的输入信号图像

12、会随着电压的增大振幅增大，而 ch2 通道的输出信号的幅度不变。当增大输入信号的频率时，ch1 通道的输入信号图像和 ch2 通道的输出信号图像同时增大频率，而振幅不变。出现以上现象的原因是：通常通过移相器产生的信号是与原信号同频率的占空比为 1:1 的方波信号，方波的幅度为 1，不会随着输入信号的幅度而发生改变，但是移相器移动角度，会使所得方波发生移动。（2）当输入信号为三角波时，输出信号为表 2 表 2 移相器移动 0、90、180、270 时的输入输出信号（三角波）图像 相位 0 90 图像 相位 180 270（3）当输入信号为方波时，输出信号为表2 表 3 移相器移动 0、90、18

13、0、270 时的输入输出信号（方波）图像 相位 0 90 图像 相位 180 270 2、相敏检波器的特性研究及主要参数测量（1）相敏检波器 PSD 输出波形和电压测量（a）选择交流放大倍数 1,直流放大倍数 10，相关器低通滤波时间设置 1s，输出信号为正弦波时不同相位的波形如表4 表 4 相位差为 0、90、180、270时的 PSD 输出波形（其中 0与 180的 PSD 信号相反，90和 270的 PSD 信号相反）图像 相位差 0 90 图像 相位差 180 270（2）测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间幅值及相位差 的关系 表 5 在不改变输入信号的幅值情况下记录直流电

14、压udc和相位差 的大小/2 26 58 91 120 151 179 udc 1.574 1.601 1.221 0.441-0.233-1.187-1.578/198 211 235 270 300 306 330 udc-1.636-1.588-1.313-0.508 0.216 0.539 1.123 图 10 直流电压 udc和 的曲线关系 表 6 直流电压 udc和cos()的关系，为相位差的大小(弧度制)cos()0.899 0.530-0.017-0.500-0.875-1.000 udc 1.601 1.221 0.441-0.233-1.187-1.578 图 11 直流电

15、压 udc和cos()的关系图 由表 5、表 6、图 10、图 11 可以看出，在不改变输入信号的幅值情况下直流电压 udc和相位差 成余弦关系，而在=0时直流电压 udc和输入电压u 成正比例关系，可见 udc=C u cos（）成立，其中C 为比例系数。相关器就是实现参考信号和被测信号相关函数的电子线路，由乘法器和积分器组成。一种开关式乘法器即相敏检波器（PSD），积分器即为 RC 低通滤波器。加在 PSD 上的被测信号和方波信号经过乘法，输出信号再经过低通滤波器后，交流部分会被滤去，只有直流部分会被输出，且 udc=C u cos（）。（3）相关器的谐波响应的测量与观察 表 7 分频时数

16、出直流电压值与分频时相关器对谐波的响应图 n值 1 2 直流电压值 1.254V-6.7mV 图像 n值 3 4 直流电压值 0.379V-6.8mV 图像 n值 5 6 直流电压值 0.332V-6.8mV 图像 n值 7 8 直流电压值 0.235V-6.7mV 图像 示波器上的图像飘移 示波器上的图像飘移 从上表可见，当分频时，参考信号的频率为信号频率的 1/n,且 n 为偶数时，输出直流电压近于零，而n 为奇数时，输出电压会有直流部分，并且随着 n 的增大，直流部分减小。这表明被测信号中的奇次谐波成分在输出信号中仍占有一定比例，或者说相关器对奇次谐波的抑制能力有一定限度，并且随着奇数的

17、增大，抑制能力越来越强。（4）相关器对不相关信号的抑制 信号输入：频率 200.89Hz，电压 102.0mv 低频信号源：频率 49.57Hz，电压 17.9mv（接近 0）相关器输出的最大直流电压为 1.017V 表 8 加法器以及 PSD 输出波形 CH1 CH2 加法器输出波形 PSD 输出波形 1)在没有干扰信号时，相移器0，直流输出电压 0.98v 2)在有干扰信号时，干扰信号电压为 0.30v，改变干扰信号的频率，观察输出信号的电压变化：（a）在干扰信号频率近于 100Hz 时，输出信号直流电压在 0.906v 左右，输出波形较为稳定（b）干扰信号频率接近 200Hz 时，输出波

18、形较不稳定（c）干扰信号频率接近 300Hz 时，输出信号直流电压在 1.016v 左右，输出波形较为稳定（d）干扰信频率再增加，直流电压输出不变，每当频率为输入信号频率奇数倍时，信号较为平稳。由以上实验现象可见，相关器对没有倍数关系以及有倍数关系并且倍数为偶数的不相关信号的抑制作用还是很明显的，直流电压输出近于没有干扰信号时的直流电压输出。但是相关器对于有奇数倍数关系的不相关信号的抑制能力有一定限度，但是随着奇数倍的增大抑制能力会增大，当倍数为 7、9时，相关器几乎完全抑制此不相关信号。（5）相关器对噪声的抑制及等效噪声带宽 输入信号电压 Vsi=49.7mv，输入信号频率 fs=1002.

19、97hz 加法器以及 PSD 输出波形见附的原始实验数据（没有拍照）表 9 改变时间常数后噪声电压的改变情况 时间常数 T/s 1 0.1 10 信号电压/mV 48.9 48.9 48.9 直流电压/V 7.93 7.93 7.93 噪声电压/mV 84.8 95.5 97.6 由上表可以看出，当时间常数增大时，噪声电压会减小，说明相关器在时间常数增大时对噪声的抑制会加强。当 T=1s 时，输出信号的信噪比为 3，输入信号的信噪比为 0.675，那么有信噪比改善SNRI=2.33,而由于SNRI=noniff，nif=39khz，nof=7khz，那么理论值为 2.36，误差 1.3%。通过

20、以上的实验可知，对于噪声，在通过低通滤波器以及高通滤波器时，设置低通滤波器的截止频率稍高于定频，高通滤波器的截止频率选在稍低于定频时，锁相放大器就可以最大限度的抑制噪声。通过以上的实验可知，对于噪声在通过低通滤波器以及高通滤波器时，设置低通滤波器的截止频率稍高于定频，高通滤波器的截止频率选在稍低于定频时，锁相放大器就可以最大限度的抑制噪声。实验结果与分析：通过移相器会产生与原信号同频率的占空比为 1:1 的方波信号；PSD 输出信号经过低通滤波器后，交流部分会被滤去，只有直流部分会被输出，且 udc=C u cos（）。相关器对奇次谐波的抑制能力有一定限度，并且随着奇数的增大抑制能力越来越强；相关器对噪声的抑制时，信噪比改善为 2.23，在时间常数增大时对噪声的抑制会加强；对于噪声，在通过低通滤波器以及高通滤波器时，设置低通滤波器的截止频率稍高于定频，高通滤波器的截止频率选在稍低于定频时，锁相放大器就可以最大限度的抑制噪声。实验心得：通过本次试验，学习测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）