第四章锁相放大器.ppt

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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4.2.1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,PhaseSensitiveDemodulator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=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,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4.4.2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,t2RC0,4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:

PhotoMultiplierTube光电倍增管,自相关函数,等效噪声带宽Be,的证明,