锁相放大器实验报告

1广东第二师范学院学生实验报告院（系）名称物理系班别11物理本四B姓名专业名称物理学（师范）学号115506020实验课程名称近代物理实验实验项目名称锁相放大器实验实验时间2014年12月25日实验地点物理楼五楼实验室实验成绩指导老师签名内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果与分析、实验心得实验目的：锁相放大器可以理解为用噪声频带压缩的方法，将微弱信号从噪声中提取出来。本实验通过测量锁相放大器的工作参数和特性，掌握相关检测原理以及锁相放大器的正确使用方法。实验使用仪器与材料：ND-501型微弱信号检测实验综合装置、相敏检波器、示波器、接线及接线口若干。实验步骤：(一)、实验仪器图5是ND-501型微弱信号检测实验综合装置的面板图，该装置把微弱信号检测技术的基本实验部件装在一个插件盒内，由一个能同时插四个插件盒的带电源的机箱，通过插入不同的实验部件盒组成不同类型的微弱信号检测仪器。(二)、锁相放大器的特性和工作参数测定本实验使用ND-501型微弱信号检测实验综合装置观察锁相放大器的特性并测量其工作参数。1、参考信号通道特性研究调节多功能信号源的输出信号为正弦波，用频率计测量其频率，用交流直流噪声电压表测量信号的幅度，调节输出信号的频率为1kHz左右，幅度大小为100mV左右。然后按图6所示接线，按下宽带移相器0移相按钮，调节0~100相位调节按钮，用示波器观察宽带移相器的输入和输出信号的波形的变化，最后使相位差计显示参考信号和输入信号的相位差分别为0、90、180、270对比画出宽带移相器的输入和输出信号的波形。改变信号的幅值和频率，观察同相输出信号幅值和频率的变化，并做简要分析。调节信号源，使输出波形分别为三角波和方波，重复上述观测。交流直流噪声电压表同步积分器相关器1．25多点信号平均器电源电源电源1025频率计多功能信号源宽带移相器相位计125低噪声前置放大器选频放大器有源低通、高通滤波器跟踪滤波器图5ND-501型微弱信号检测实验综合装置22、相敏检波器的特性研究及主要参数测量(1)相敏检波器PSD输出波形和电压测量按图7接线，置交流放大倍数为1，直流放大倍数为10，相关器低通滤波时间常数置1秒，调节宽带移相器的相移量，用示波器观察信号、参考信号及PSD的输出波形并分析它们之间的关系，测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间幅值及相位差的关系，用相位计测量值大小，记录参考信号和输入信号的相位差分别为0、90、180、270时，PSD输出直流信号udc在示波器上输出的波形。与图1比较，分析相关器的原理。(2)相关器的谐波响应的测量与观察将图7中宽带移相器的输入信号接至多功能信号源的“倍频分频输出”，多功能信号源功能“选择”置“分频”，此时，参考信号的频率为信号频率的1/n次倍。先置分频数为1，调节移相器的相移，使输出直流电压最大，记录输出直流电压的大小。改变n的数值分别为2，3，4，5，进行上述测量，根据测量结果画出相关器对谐波的响应图。(3)相关器对不相关信号的抑制按图8所示接线，多功能信号源的输出正弦信号为相关器的输入信号，低频信号源的输出信号作为相关器的干扰信号，由相关器的“噪声输入”端输入。由示波器观察相关器的“加法器输出”波形与“PSD输出”波形，用电压表测量输入信号，干扰信号，相关器输出信号大小，由频率计测量信号和干扰信号的频率。选择相关器的交流放大倍数为1，直流放大倍数为10，时间常数1秒，调节多功能信号源的频率为200Hz(可以任选)，电压为100mV，调节低频信号源的输出电压为0(即相关器输入信号不混有干扰信号)，调节宽带相移器的相移量，使相关器输出的直流电压最大。记录“加法器输出”，“PSD输出”波形及相关器输出的直流电压(正比于输入信号的有效值)。调节低频信号源的输出电压为300mV，即干扰电压为待测量信号电压的3倍。任选一工作频率(例如为930Hz)。由示波器观察“加法器输出”“PSD输出波形”，观测此时被测信号与干扰信号波形及相关器的输出直流电压变化。改变干扰信号的频率，观察相关器对不相关信号的抑制能力，对实验现象进行总结，分析相关器抑制干扰的能力。图7相关器PSD波形观测多功能信号源输出宽带移相器输入同相输出相位计信号输入参考输入示波器CH1相关器参考输入直流输出信号输入PSD输出交流、直流噪声电压表输入多功能信号源输出宽带移相器输入同相输出相位计信号输入参考输入示波器CH1CH2图6参考通道特性观测3(4)相关器对噪声的抑制及等效噪声带宽白噪声电压与带宽有关，通过高、低通滤波器可以组成一个已知带宽的带通滤波器来确定噪声带宽。对于二阶有源滤波器信号带宽fs与等效噪声带宽fN关系为：fN=(/2)fs测试方框图如图9所示。白噪声信号源通过高低通滤波器组成的带通滤波器的限制，使高通、低通滤波器的输出为已知等效噪声带宽的噪声源，输给相关器的噪声，白噪声电压的大小由交流、直流、噪声电压表测量，在测量白噪声电压时，给出的是白噪声的均方根电压，注意，只能用2V量程档测量噪声电压。高通，低通滤波器的高通截止频率选在250HZ，低通滤波器的的截止频率选在25kHz，则等效噪声带宽fN=(/2)fs=(/2)(25000-250)Hz=39kHz。相关器选KAC＝10，KDC＝10，T＝1秒。输入信号频率fs＝1kHz，Vsi＝50mV，先不加白噪声干扰信号。调节相移器的相移，使输入信号与参考信号同相，并用示波器观察“加法器输出”“PSD输出”的波形，用电压表测量输出电压。白噪声信号由相关器“噪声输入”输入，作为干扰信号，用示波器观察“加法器输出”的信号与噪声相混的波形。调节白噪声信号源的输出幅度或与高、低通滤波器的放大倍数相配合调节，使输入白噪声均方根电压为100mV。用示波器观察“加法器输出”信号与噪声相混的波形和“PSD输出”波形。用电压表测量相关器输出的信号电压和噪声电压，计算输出信号的信噪比，根据输入输出信噪比计算SNIR，与公式(12)计算的理论值比较。改变时间常数T=0.1s和T=10s，从示波器上观察直流输出信号的波形，比较不同时间常数下的信号波形，同时可以利用2V量程档测量不同时间常数下的直流输出信号中的噪声电压，了解相关器对噪声的抑制能力。实验数据整理与归纳：1、参考信号通道特性研究利用多功能信号源输出正弦波，其频率为1000hz，电压大小为100.3mV，调节相移器的0、90、180、270移相按钮，示波器ch1通道是输入的正弦波形，ch2通道输出的是通过移相器后的信号波形，记录如下：表1移相器移动0、90、180、270时的输入输出信号（正弦波）图9相关器对噪声的抑制多功能信号源正弦输出宽带移相器输入同相输出频率计输入示波器CH1相关器参考输入直流输出信号输入PSD输出交流、直流噪声电压表输入加法器输出噪声输入高、低通滤波器输出CH2输入噪声输出白噪声交流直流图8相关器对不相关信号的抑制多功能信号源正弦输出宽带移相器输入同相输出频率计输入示波器CH1相关器参考输入直流输出信号输入PSD输出交流、直流噪声电压表输入加法器输出噪声输入低频信号源正弦输出CH2干扰信号直流4图像相位0°90°图像相位180°270°（1）调节0°~100°相位调节旋钮，增大移相的角度时，波形没有变化，方波略向左移。当增大输入信号的幅值时，ch1通道的输入信号图像会随着电压的增大振幅增大，而ch2通道的输出信号的幅度不变。当增大输入信号的频率时，ch1通道的输入信号图像和ch2通道的输出信号图像同时增大频率，而振幅不变。出现以上现象的原因是：通常通过移相器产生的信号是与原信号同频率的占空比为1:1的方波信号，方波的幅度为1，不会随着输入信号的幅度而发生改变，但是移相器移动角度，会使所得方波发生移动。（2）当输入信号为三角波时，输出信号为表2表2移相器移动0、90、180、270时的输入输出信号（三角波）图像相位0°90°图像相位180°270°（3）当输入信号为方波时，输出信号为表2表3移相器移动0、90、180、270时的输入输出信号（方波）5图像相位0°90°图像相位180°270°2、相敏检波器的特性研究及主要参数测量（1）相敏检波器PSD输出波形和电压测量（a）选择交流放大倍数1,直流放大倍数10，相关器低通滤波时间设置1s，输出信号为正弦波时不同相位的波形如表4表4相位差为0、90、180、270时的PSD输出波形（其中0与180的PSD信号相反，90和270的PSD信号相反）图像相位差0°90°图像相位差180°270°（2）测量相关器输出直流电压大小与信号、参考信号之间幅值及相位差ψ的关系表5在不改变输入信号的幅值情况下记录直流电压udc和相位差ψ的大小6ψ/°2265891120151179udc1.5741.6011.2210.441-0.233-1.187-1.578ψ/°198211235270300306330udc-1.636-1.588-1.313-0.5080.2160.5391.123图10直流电压udc和ψ的曲线关系表6直流电压udc和cos()的关系，ψ为相位差的大小(弧度制)cos()0.8990.530-0.017-0.500-0.875-1.000udc1.6011.2210.441-0.233-1.187-1.578图11直流电压udc和cos()的关系图由表5、表6、图10、图11可以看出，在不改变输入信号的幅值情况下直流电压udc和相位差ψ成余弦关系，而在ψ=0时直流电压udc和输入电压u成正比例关系，可见udc=Cucos（ψ）成立，其中C为比例系数。相关器就是实现参考信号和被测信号相关函数的电子线路，由乘法器和积分器组成。一种开关式乘法器即相敏检波器（PSD），积分器即为RC低通滤波器。加在PSD上的被测信号和方波信号经过乘法，输出信号再经过低通滤波器后，交流部分会被滤去，只有直流部分会被输出，且udc=Cucos（ψ）。（3）相关器的谐波响应的测量与观察表7分频时数出直流电压值与分频时相关器对谐波的响应图n值12直流电压值1.254V-6.7mV7图像n值34直流电压值0.379V-6.8mV图像n值56直流电压值0.332V-6.8mV图像n值78直流电压值0.235V-6.7mV图像示波器上的图像飘移示波器上的图像飘移从上表可见，当分频时，参考信号的频率为信号频率的1/n,且n为偶数时，输出直流电压近于零，而n为奇数时，输出电压会有直流部分，并且随着n的增大，直流部分减小。这表明被测信号中的奇次谐波成分在输出信号中仍占有一定比例，或者说相关器对奇次谐波的抑制能力有一定限度，并且随着奇数的增大，抑制能力越来越强。（4）相关器对不相关信号的抑制信号输入：频率200.89Hz，电压102.0mv低频信号源：频率49.57Hz，电压17.9mv（接近0）相关器输出的最大直流电压为1.017V表8加法器以及PSD输出波形CH1CH2加法器输出波形PSD输出波形81)在没有干扰信号时，相移器0，直流输出电压0.98v2)在有干扰信号时，干扰信号电压为0.30v，改变干扰信号的频率，观察输出信号的电压变化：（a）在干扰信号频率近于100Hz时，输出信号直流电压在0.906v左右，输出波形较为稳定（b）干扰信号频率接近200Hz时，输出波形较不稳定（c）干扰信号频率接近300Hz时，输出信号直流电压在1.016v左右，输出波形较为稳定（d）干扰信频率再增加，直流电压输出不变，每当频率为输入信号频率奇数倍时，信号较为平稳。由以上实验现象可见，相关器对没有倍数关系以及有倍数关系并且倍数为偶数的不相关信号的抑制作用还是很明显的，直流电压输出近于没有干扰信号时的直流电压输出。但是相关器对于有奇数倍数关系的不相关信号的抑制能力有一定限度，但是随着奇数倍的增大抑制能力会增大，当倍数为7、9……时