锁相放大器学习.pptx

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第1页/共64页4 锁相放大器4.1 概述 4.1.2 原理 2第2页/共64页4.2 理论基础 4.2.1 相关检测原理 (1)自相关检测3延迟LPF4 锁相放大器第3页/共64页4xi(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 4.2.1 相关检测原理 (1)自相关检测第4页/共64页5延迟LPFxi(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)互相关检测第5页/共64页64 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。第6页/共64页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 LPF 正弦波信号、正弦波参考第7页/共64页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 幅频相频特性第8页/共64页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 00|H()|0.7070-=1/RC第9页/共64页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）第10页/共64页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 相频特性第11页/共64页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、方波参考LPF滤出20的交流成分后和频差频第12页/共64页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、正弦波参考和频差频第13页/共64页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、正弦波参考第14页/共64页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、正弦波参考主要噪声项第15页/共64页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等效噪声带宽第16页/共64页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)若LPF为一阶 RC 回路（A01）第17页/共64页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、方波参考加入输入带通滤波器第18页/共64页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第19页/共64页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=1第20页/共64页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第21页/共64页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)方波参考第22页/共64页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)方波参考第23页/共64页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(低噪前置AC放大)带通滤波器第24页/共64页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)第25页/共64页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)第26页/共64页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)移相器第27页/共64页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第28页/共64页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(1)基本原理第29页/共64页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)可用一片CD4018第30页/共64页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)第31页/共64页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。第32页/共64页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频率合成器第33页/共64页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。第34页/共64页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)第35页/共64页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)基本结构第36页/共64页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)特性分析第37页/共64页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)特性分析传递函数时域频域频域时域第38页/共64页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第39页/共64页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)特性分析第40页/共64页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 第41页/共64页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第42页/共64页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第43页/共64页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第44页/共64页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第45页/共64页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在 f0 及其各次谐波之外频率为 f0 的方波，可以通过旋转电容滤波器。第46页/共64页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m=imi第47页/共64页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m=imi当 ,且 m=i 第48页/共64页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f0方波第49页/共64页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 第50页/共64页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第51页/共64页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+1-1p(t)第52页/共64页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第53页/共64页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第54页/共64页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第55页/共64页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)动态储备第56页/共64页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第57页/共64页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OVLFSMDS高稳定OVLOVLMDSMDS高储备动态储备输出动态范围第58页/共64页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Eu-uix(t)r(t)输入共模电压高输入共模电压低E第59页/共64页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 第60页/共64页自相关函数第61页/共64页等效噪声带宽 Be理想系统实际系统白噪声第62页/共64页卷积定理频移特性的证明第63页/共64页感谢您的观看！第64页/共64页