微弱信号检测与锁定放大器

上海交通大学物理实验中心

杨文明

噪声与干扰

通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。

把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性，可以减少或消除。

锁定放大器要解决的就是如何在很强的外部干扰环境中检测弱信号。

噪声与干扰 宽带的或持续的无用信号 通常把可以减少或消除的外部扰动称为干扰，把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。

噪声与干扰 瞬时的或窄带的无用信号 市电 50Hz 或 100Hz （整流等）；电台；开关通 /断；高能量的脉冲电流或电压；机械振动；太阳活动；雷电等

实验室中的典型噪声环境 50Hz

– 电源布线，仪器内部功率单元等 50Hz的谐波

– 可控硅斩波，整流，电感等造成正弦波失真或毛刺

电气触点的通 /断– 触点的通 /断总伴随着电火花或电弧

实验室中的典型噪声环境 高频信号

– 开关电源– 大功率高频振荡器

1/f 噪声

-8 -6 -4 -2 0 +2 +4 +6 +8-8 -6 -4 -2 +2 +4 +6 +8

0

1

10

+2

+3

+4

+5

+6

+7

频率

单位带宽的相对功率

实验室环境的噪声与干扰分布

市电50Hz

150Hz

100Hz

200Hz

典型宽带干扰范围

调幅广播 调频

广播

检测系统的屏蔽与接地 噪声的引入 :

– 电容性偶合：电场引起，噪声源内阻高

– 电感性偶合：磁场引起，噪声源内阻低

噪声的屏蔽 电容性偶合：

– 降低电路的阻抗，– 在噪声源与信号线之间建立导电屏障，屏障接地。例屏蔽线，铜罩壳等。

噪声的屏蔽 电感性偶合

– 减少回路面积，– 用铁磁性物质包围噪声源。例如，变压器的外壳，双绞线。

接地 接大地：

– 消除电位差；消静电。 接信号地：

– 信号的公共点，提供信号回路，减少阻抗。 1MHz低频以下可采用一点接地，10MHz 以上高频可采用大面积多点接地。还要注意区分模拟地和数字地。

测量技术的分类 非相关测量

– 普通的电压表，示波器，频率计等– 使用方便，用途广泛

相关测量– 锁定放大器，同步积分器，数字滤波器等

– 抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高

锁定放大器的工作原理 1962年第一台仪器问世，发现俄歇效应。据统计，已在几百种场合中得到应用。在弱信号探测仪器中锁定放大器是一个非常重要的品种。

信噪比可低达 10-5。 BW=0.0004Hz（相当于 Q值 =108）。

两个随机过程的相关性 对两个信号，定义相关函数

– 互相关 Rxy 函数

2/

2/)()()(

1 T

T

T

xy dttytxRT

Lim

两个随机过程的相关性– 互相关 Ryx 函数：

2/

2/)()()(

1 T

T

T

yx dttxtyRT

Lim

随机过程的相关性

– 自相关函数：

2/

2/)()()(

1 T

T

T

dttxtxRT

Lim

白噪声，自相关函数 =0

相关检测

积分器乘法器

延迟

)()()( tntStx

)()()( tntStx

Rss(τ )

参考通道

信号通道

相关检测 设有信号 S(t)，通过如上图所示的功能器件，则有：

dttntStntST

R )]()([)]()([1

)(

)()( nnSS RR

如果参考信号是“干净”的，则只剩下第一项。

相关检测的矢量解释 参考信号：

– 可看成是基矢 (正弦波 )或基矢的线性组合（非正弦波，如方波）

检测信号：– 可看成是由多个正弦信号的线性组合

旋转坐标系， ωR

– 检测信号绕参考信号作相对转动

相关检测的矢量解释 检测结果 (对基矢投影 )：

– 被检信号与参考信号相对稳定不动；有稳定输出 -- 直流

– 被检信号与参考信号有相对运动；有不稳定输出 --交流

通过阻容电路（积分器）可滤除交流，取出直流

锁定放大器的输出

Vo=Vi cosθ

θ是检信号与参考信号的夹角

参考信号的要求 从以上特点可知，参考信号一定要有被测信号中某个特定成分。– 参考信号源同时驱动被测设备，在实验室常用这种方法。

– 从被测信号中提取同步信号，再转为本地的参考信号。在无线通讯中只能 用这种方法，如电视。

相对振幅

f R 3fR 5fR

频率

传输窗口（参考信号：方波）

偶次分量的测量 利用锁相环产生两倍频的参考信号

– 方波只有奇次谐波，但如灯泡的光的频率是驱动信号频率的两倍。

– 用锁相环产生倍频。

乘法器的工作过程

V

+

-

接差动积分器

信号地

参考信号

被测信号

积分器工作过程

低通滤波器及特性

＞

f

100%

内

Íâ

前置被测信号

滤波器

主放

灵敏度

乘法器

T

积分器DC放大 输出

参考信号

方波产生

内部振荡

相位

= 90

2 Vs

V

0 t

²âÁ ¿Ð Å ºÅ

²Î¿¼ Ð Å ºÅV1

0 t+ + +

2 Vs

V

0 t

Ê ä³ö ¾ µÍͨºóµÄ Ê ä³ö(Æ ½ ¾ ùµçÑ ¹)

(a ) = 0 o

V

0 t

Ê ä³ö

V

0 t

V

0

t

V

0 t

V

0 t

V

0

t

V

0 t 0 t t0

V VÆ ½ ¾ ùµçÑ ¹

Æ ½ ¾ ùµçÑ ¹ Æ ½ ¾ ùµçÑ ¹

(b) = 180 o (c) o È ÎÒ âÏàλ(d )

锁定放大器的改进 矢量型：两个正交的参考信号

V (t)R

V (t)S µÍͨV (t)P V (t)O

V (t)R

V (t)S µÍͨV (t)P V (t)O

VR’(t)

VO’(t)

VS(t)

锁定放大器的改进 正弦化型：参考信号正弦化，消除多窗口

– 多基矢

f 3f 5f

锁定放大器的改进

f

– 正弦化