第四章锁相放大器

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。14锁相放大器4.1概述4.1.2原理24.2理论基础4.2.1相关检测原理(1)自相关检测)()()()()]}()()][()({[)(nxxnnxiiiifRRRRtntxtntxER)()()(tntxtfiii)(fR)(tfi3延迟τLPF4锁相放大器)()()()()()()(nxnxxnnxfRRRRRRR4xi(t)与ni(t)相互独立，则互不相关，因而为零。)cos()(21nR当xi(t)为白噪声、且τ足够大时，Rx(τ)→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)()()]}()()][({[)(nnxiiinfRRtntxtnER)()()(tntxtfiii)(nfR)(tni5延迟τLPF)(tnixi(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64锁相放大器4.2理论基础4.2.1相关检测原理(3)τ的选择021)cos()(nR,时当21k对于互相关检测，)()()()(nnnxnfRRRR设被检测信号为正弦波取τ=0,Rn(τ)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)(tnPhaseSensitiveDemodulator相位灵敏调解器／相敏检测LPF)(tr)(tup0u)cos()(tVtns0)cos()(tVtrr0cos)cos()()()(tVVtrtntursp0221cosrsVVu210①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)cos()cos()(tVtVtnsss0211)(|)(|RCjH)cos()cos()()()(ttVVtrtntursp0221)(tanRCarc①正弦波信号、正弦波参考Ⅰ幅频特性LPF为一阶RC低通滤波器幅频／相频特性)cos()(.)(tRCVVturs201504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211)(|)(|RCH①正弦波信号、正弦波参考Ⅰ幅频特性LPF为一阶RC低通滤波器)cos()(.)(tRCVVturs20150Δω＝ω－ω0ω0|H(ω)|ω0.707ω0-ω=1/RC4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RCRCRC11112122)()(①正弦波信号、正弦波参考Ⅰ幅频特性LPF为一阶RC低通滤波器RCRCRCRC732133112122.)()(-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①正弦波信号、正弦波参考Ⅱ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1010121214mmrstmmVtrtVtn)cos()()()cos()()cos()()(cos)()(tmmVVtmmVVtumrsmrsp010121212221212②正弦波信号、方波参考cos)(rsVVtu20LPF滤出≥2ω0的交流成分后和频差频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ttrtVtVtxtntfxxs00cos)()cos()cos()()()()cos()(cos)(coscos)()()(tVtVtVVtrtftusxsxssp00022222③正弦波信号＋单频等幅噪声、正弦波参考和频差频cos)(20sVtu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④正弦波信号＋窄带白噪声、正弦波参考)()cos()()()(txtVtxtntfs020NSx)(0B)](cos[)()(tttAtxx)()()(txtxtAsc22)()(tan)(txtxtcsarcttxttxtxxsxcsin)(cos)()()(cos)()(ttAtxc)(sin)()(ttAtxstVtrr0cos)(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ttxttxtxxsxcsin)(cos)()(④正弦波信号＋窄带白噪声、正弦波参考tVtrtxtVtfrs00cos)()()cos()(ttxVttxVttxVttxVtVVVVtVtxtVtftrtuxsrxsrxcrxcrrsrsrsp)sin()(.)sin()(.)cos()(.)cos()(.)cos(.cos.cos)()cos()()()(00000005050505025050主要噪声项[]0()0.5()cos()()0.5()rxrxtVAtttVxtwwjⅱ=-+=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BNVPPSNRsxinii022⑤信噪改善(正弦波信号＋窄带白噪声、正弦波参考)2oieSNRBSNIRSNRB==)cos()sin()(002fBBBNRxBNRPxxi00)(输入噪声功率221sniVP输入信号功率输出噪声功率erxBNVP02082281rsnoVVP输出信号功率esxonooBNVPPSNR02等效噪声带宽)(.)()(cos)(.)(txVtttAVtxrxr50500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⑤信噪改善(正弦波信号＋窄带白噪声、正弦波参考)BRCSNRSNRSNIRio4dRCBe0211)(RCBe2211)(|)(|RCH若LPF为一阶RC回路（A0＝1）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⑥正弦波信号＋窄带白噪声、方波参考101121214mmrtmmVtr)cos()()(101121212mxmrttmmtAVtx)(])[(cos)()()(加入输入带通滤波器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=14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=14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)①差分输出放大器②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)③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)④IGFET＋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①交流放大器(低噪前置＋AC放大)②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①交流放大器②带通滤波器(LPF＋HPF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①交流放大器②带通滤波器(LPF＋HPF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IbIaCIITabb)(TTb360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)cos()(tVtfs)sin()cos(tt222QIVssincosSSVQVI2121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CD40184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tmjmmmemtptmmtp01211011212121214)()()(~)cos()()(4锁相放大器tmjmemtitptiti01211212)()()(~)(~)(~)(~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101101121214121214mmmmtmmtItmmtitptiti)cos()()cos()cos()()()()()(minRCjRZRCRZ112)(~)()(11210012114mtmjmemRCjtiRZtitV)()()(~)(~)(~)(~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11RIURtitVii)()()(~)(~(2)特性分析0111012111214)()()()()(mRCjmRRUUHmmi1010112101212114121140mmmtmjmmmIRCjRUemtiRCjRtV)()()()()()(~)(~)(RCmjmRRHmm011112111214)()()(传递函数时域频域频域时域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2201112111214RCmmRRHm)()(RCm012)(arctan)()()()()()(jmmeHRCmjmRRH