锁定放大器在检测微弱信号中的应用

杨建新 武银兰

(太原理工大学应用物理系 山西 太原 030024)

锁定放大器(LIA)使用在很多场合，它是一个以解调器为核心的微弱信号检测仪器，在噪声大于信号数千倍以上时仍能正常检测．自从锁定放大器问世以来，它获得了快速发展，性能指标有了很大提高.在物理、化学、生物医学、天文、通信等领域得到广泛的应用．从LIA的工作原理看，它对环境噪声的抑制能力可以达到无限大，实际上并不能做到这一点．G.T.Gillies提出LIA 的测量误差是输入信号信噪比(SNR)的函数[1]．文献[2]认为LIA的最小可测电压受交流通道的等效输入噪声等因素的影响．

本文对微弱信号及加了噪声的微弱信号用锁定放大器进行了测试，结果表明锁定放大器具有良好的检测微弱信号的功能，同时也具有良好的抑制噪声的能力，

1 锁定放大器的基本原理[3]

锁定放大器是以相干检测技术为基础，其核心部分是相关器，基本原理框图如图1所示．

图1 锁定放大器原理框图

锁定放大器的主要由三部分组成，即：信号通道(相关器前那一部分)、参考通道和相关器(包括直流放大器) .

1.1 相关器

相关器是锁定放大器的核心部件．锁定放大器中的相关器，通常采用图2所示的形式，由一个开关式乘法器(×)与低通滤波器(LPF)组成．

图2 锁定放大器中的相关器

令图2中输入开关乘法器的被测信号UA(t)和参考信号UB(t)分别为

(1)

(2)

则开关乘法器的输出信号为

U1(t)=UA(t)·UB(t)=

UAUBcos[(ωA+ωB)t+(φA+φB)]+

UAUBcos[(ωA-ωB)t+(φA-φB)]

(3)

可见开关乘法器的输出由和频ωA+ωB和差频ωA-ωB两部分组成．当ωA=ωB或ωA在ωB附近时，则以低通滤波器组成的积分器取出差额分量来检测信号．当ωA=ωB时，低通滤波器LPF的输出为

U0=KUAcosφ

(4)

式中K为总的放大倍数；UA为被测信号的大小；φ为被测信号与参考信号的相位差，即φ=φA-φB.

1.2 信号通道

信号通道是相关器前的一部分，由低噪声前置放大器、各种功能的有源滤波器、主放大器等部分组成．其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声，扩大仪器的动态范围．

1.3 参考通道

其作用是产生与被测信号同步的参考信号输给相关器．通常锁定放大器的参考通道输出是和信号同步的对称方波，用以驱动相关器的场效应管开关．

2 实验内容

2.1 仪器

(1)双踪通用示波器一台；

(2)微弱信号检测技术实验综合装置.

2.2 实验步骤

(1)连接电路,如图3所示.

图3 实验电路图

(2)接通电源，预热2 min，调节多功能信号源使输出频率为1 kHz左右、电压为100 mV的正弦波，调节ND-601型精密衰减器的衰减为1 000倍，前置放大器“增益”开关置×1 000挡，Q值置“3”，选频频率置“1 kHz”．相关器“交流放大倍数”置×10挡，“直流放大倍数”置×10挡．“时间常数”置1 s．

(3)调节选频放大器的选频频率使输出信号电压最大．然后，改Q为“30”，重复调节选频频率，使输出电压最大，表明选频放大器的谐振频率为信号频率．然后，改示波器观察“PSD输出”，调节宽带相移器的相移，使相关器直流输出为零，再把宽带相移器的相移90°，这时相关器输出直流电压最大，即为锁定放大器的输出电压．

3 实验结果

(1)待测信号Ui=100 mV,f=1 000 Hz.无噪声，如图4所示.

图4 无噪声实验图像

选频放大器频率

f=1 002 Hz

直流输出

U0=8.78 V

输入衰减器的电压，即被测电压

Ui=87.8 mVf=1 002 Hz

(2)待测信号Ui=100 mV,f=1 000 Hz,U噪=300 mV，如图5所示.

图5 有噪声实验图像

选频放大器频率

f=1 004 Hz

直流输出

U0=8.12 V

输入衰减器的电压，即被测电压

Ui=81.2 mV

f=1 004 Hz

从波形上讲，有一定失真．

(3)在不同的噪声幅度下，对更微弱信号Ui=10 mV,f=1 000 Hz的信号进行测量，结果如下表1所示.

表1 不同噪声下的输出结果

4 结论

锁定放大器可以对一个微小信号进行测量，不但可以进行幅度的测量，也可以进行频率的测量， 由于放大倍数不一定十分精确，测量结果有一定偏差．对同一个大小的输入信号，随着噪声的增加，输出有一定减小，波形失真也会逐渐加大，说明锁定放大器对小噪声有一定抑制能力，对过大的噪声，输入信号将被淹没．

参考文献

1 Gillies G T，Allison S W. Precision Limits of Lock-in Amplifiers below Unity Signal-to-noise Ratios.Rev Sei Instrum,1986, 57(2): 268～270

2 戴逸松. 锁定放大器的最小可测电压分析. 数据采集与处理, 1996, 11(2): 99～102

3 唐鸿宾.微弱信号检测技术.南京:南京大学电子科学与技术系，微弱信号检测中心,2002.98～100