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技术文章
锁相放大器技术详解
「锁相放大器」是一种什么结构的测量仪器? |
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锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术,把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。 |
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在外差式振荡技术中被称为本地振荡(Local Oscillation)的、用于做乘法运算的信号,在锁相放大器中被称为参照信号,是从外面输入的。锁相放大器能够(从被测量信号中)检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中,只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流,因而才能够通过低通滤波器(LPF)。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号,所以被低通滤波器(LPF)滤除。 |
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锁相放大器对于噪声的抑制能力,是由上图中低通滤波器(LPF)的截止频率来确定的。例如,在测量10kHz的信号时,如果使用1mHz的低通滤波器(LPF),那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器时的噪声抑制能力。如果换算成为Q值,就相当于5×106。要想真正制造这样高的Q值的带通滤波器,那是不可能的。但是,使用锁相放大器,这就很容易实现了。 |
那么,实际的锁相放大器又是什么样的呢? |
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■使用PSD(相敏检波器)作为乘法器。 |
如前面所解说的那样,频率变换是通过乘法运算来进行的。一般的乘法运算模拟电路,其线性程度和温度稳定性都存在问题。所以,在实际的锁相放大器中,采用开关元件进行同步检波,由此实现频率变换。由开关元件所进行的同步检波电路,称作PSD(相敏检波器,Phase Sensitive Detector),这是组成锁相放大器的心脏部分。 |
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采用方波作为参照信号,与参照信号同步使被测量信号的极性翻转,也就是在×1/×(-1)这两者之间进行切换。 |
■需要进行相位调节。 |
如下图所示,PSD的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的相位差,而产生很大的变化。由此,低通滤波器(LPF)的输出信号(也就是锁相放大器测量所得到的值)也会产生变化。 |
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除了相位差为0°之外,在其他状态下不能很好地测量被测信号的大小。这样,就需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到0°,然后再输入到PSD。这个相位调节的电路,称作移相电路(Phase Shifter),是锁相放大器中必不可少的电路。 |
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上述的锁相放大器,称作「单相位锁相放大器」。为了能够正确地测量振幅和相位,需要有能够调节移相电路的「相位调节」部分。另外,如果将参照信号的相位移动90°,使用两个PSD,那么也可以组成不需要调节相位的「双相位锁相放大器」。 |
*后,让我们来说明锁相放大器的一个重要参数——“动态保留”。 |
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对于通常的电压表,是有测量量程的。在10V量程,能测量的电压为10V。如果超过了10V电压,那么就需要增大量程,例如,用20V的量程进行测量。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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对于几乎所有的锁相放大器,与被测量的信号在一起,“动态保留”是有若干个档级可以变更的。
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| 为什么「锁相放大器」有很强的抗噪声能力? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
锁相放大器不容易受到噪声影响的原因,是因为很好地利用了噪声(白噪声)与目的信号(正弦波)之间在性质上的差别。 |
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■平坦的频谱 |
在宽阔的频率范围内,该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。 |
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■随着频带宽度不同测量电压会改变 |
在用毫伏计测量白噪声时,得到的测量值和白噪声所具有的频谱带宽(BandWidth: B.W.)的平方根以及电平成比例。测量得到的电压值,与下图中的浅蓝色部分的面积成比例。 |
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即使对于同样的噪声,如果用带通滤波器(BPF)来限制所通过的频带,那么测量所得的电压值就会不同。 | |
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把测量所得的噪声电压(Vrms),除以频带宽度的平方根,就得到用表示噪声大小的单位、也即称作噪声电压密度(V/√Hz)来衡量的值。频道宽度如果缩小到1/100,那么测量所得的噪声电压就缩小到1/10。 |
下面,让我们来看一看正弦波的性质! |
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■频谱非常集中 |
1kHz正弦波信号的频谱,只存在于1kHz的位置,其他地方的频谱的电平都为零。 |
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■与频带宽度无关,测量所得电压保持一定的值。 |
因为频谱是集中分布的,所以不受频带宽度的影响,测量所得的电压保持一定的值。但是,必须要使信号频率存在于所取的频带之内。 |
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用交流电压表所测量的电压值,与频带宽度无关,是上图中的V。 |
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那么,在正弦波上叠加了白噪声以后会怎么样呢? |
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即使白噪声与正弦波进行加法运算所得的信号,测量所得的电压对于频带宽度所具有的各种性质也不会有变化。 | |
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从以上这些结果可知,为了测量被噪声所掩埋的信号,应该将带通滤波器的频带宽度变窄。 |
但是,这样的带通滤波器也是有一个限度的。 |
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为了说明「锁相放大器利用了噪声与目的信号所具有的不同性质,所以不容易受到噪声的影响」,前面已解说了以下几个要点: | |
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■使通带变狭窄的限度 |
使用带通滤波器只让想要测量的频率信号通过,可以抑制噪声,让目的信号浮现出来。 |
把带通滤波器与锁相放大器做一个比较。
| Q(中心频率/通带宽度) | 中心频率 |
带通滤波器 | 100左右 (10Hz@1kHz) | 固定(不容易改变) |
锁相放大器 | ~107 左右 (0.1mHz@1kHz) | 追随测量信号 |
锁相放大器用特殊的方法,使Q提高到约为107 (通常的带通滤波器约为100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。 |
原创作者:北京燕京电子有限公司