锁相放大器的工作原理

第九章光电检测技术的典型应用对微弱信号检测的要求:(1)良好的光电信号检测系统：(2)适宜的光学系统(3)波长匹配、性能优良的探测器(4)合理的光电系统检测方式（直接检测或外差检测）(5)最佳的信号后置处理器微弱光信号检测系统在光度量的测量中，常常遇到待测信号被噪声淹没的情况。例如，对于空间物体的检测，常常伴随着强烈的背景辐射；在光谱测量中，特别是吸收光谱的弱谱线更是容易被环境辐射或检测器件的内部噪声所淹没；即使是对较强的光信号，为提高信号的抗干扰能力，实现精确的检测，也都需要有从噪声中提取、恢复和增强被测信号的技术措施。因此无论是从工程应用方面还是从信号变换技巧方面，微弱光信号的检测都是很重要的。常用的弱光信号检测技术:(1)锁相放大器(2)取样积分器(3)光子计数器(1)锁相放大器在弱光检测中的应用通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的，分布在很宽的频谱范围内。它们大部分和有用信号频谱不重叠，也没有同步关系。因此降低噪声、改善信噪比的方法之一是压缩检测通道的带宽，使之仅能覆盖住信号的频谱，此时噪声的输出将会明显降低。但这并不表明简单地用窄带滤波的方法就能够消除噪声。实际上由于带通滤波器的频率稳定性的限制，单纯用压缩带宽来抑制噪声是有限度的。因此，对微弱信号的接收常采用具有窄带滤波能力的锁相放大器。锁相放大器锁相放大器是一种通用的对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和锁相关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分量有响应。因此能大幅度抑制无用噪声，提高检测灵敏度和信噪比，它是弱信号检测的一种有效仪器。锁相放大器的基本组成:信号通道;参考通道;相敏检波器(核心部件)。它由混频乘法器和低通滤波器组成。它的工作原理:输入信号在相敏检波器中与参考信号混频，经低通滤波器后得到与输入信号幅值成比例的直流输出分量。选频锁相环移相器输入信号AC参考信号AC信号通道相敏检波输出信号DC前放混频乘法器低通滤波器锁相放大器的组成方框图参考通道设乘法器的输入信号Us和参考信号Ur分别为:Us＝Usmcos[(ω0+Δω)t+θ]Ur＝Urmcosω0t则输出信号Uo＝UsUr＝(UsmUrm/2){cos(Δωt+θ)+cos[(2ω0+Δω)t+θ]}其中Δω是Us和Ur的频率差，θ为相位差。由上式可见，通过输入信号和参考信号的相乘运算后输出信号的频谱由ω0变换到差频Δω与和频2ω0的频段上。利用低通滤波器滤除和频信号后得到窄带的差频信号。这时输出信号Uo′＝(UsmUrm/2)cos(Δωt+θ)锁相放大器的工作原理:上式表明:(a)在输入信号中只有那些与参考信号同频率的分量才使频差为零，得到直流的输出信号，因此这种方法最适合于调幅信号的检测。(b)输出信号幅度还取决于输入信号和参考信号间的相位差。只有θ＝0时，才有最大的信号输出，而θ＝π/2时，输出信号为零。也就是说，在输入信号中只有被测信号本身由于和参考信号有同频同相关系而能得到最大的直流输出。其它的噪声和干扰信号或者由于频率不同，造成Δω≠0的交流分量，被后接的低通滤波器滤除；或者由于相位不同而被相敏检波截止。当然，那些与参考信号同频同相的噪声分量也能够得到部分输出并与被测信号相叠加，但这些终归只占白噪声的极小部分。因此锁相放大能以极高的信噪比由噪声中提取出有用信号来。相敏检波器有模拟乘法器式和电子开关式，其中电子开关式相敏检波器由于受到参考信号幅度波动的影响较小，所以得到更广泛的应用。电子开关式相敏检波器的输出等效为被测信号与幅度为1、占空比为50％的方波信号的乘积。参考信号常采用间隔相等的双极性方波信号，中心频率锁定在被测信号频率上。这种相敏检波器也称开关混频器。这个开关电路输出信号的极性是由输入信号和参考信号间的相位决定的。当Us和Ur同相或反相时，输出信号是正或负的脉动直流电压；当Us和Ur是正交时即θ＝±90°时，输出信号Uo为零。类似的开关电路可用场效应管或集成开关电路实现。为了保证被测信号和参考信号的同频同相，在被测信号的频率和相位事先不确定的情况下通常采用频率跟踪和相位锁定技术；但更多的作法是利用参考信号对被测信号进行斩波或调制，使被测信号和参考信号同步变化。这样，由于锁相放大器的同步检相作用，只允许和参考信号同频同相的信号通过，所以它本身就是一个带通滤波器。它的Q值可达108，通频带宽可达0.01Hz，因此，锁相放大器有良好的改善信噪比的能力。0()cos()xtVt1014(1)()cos[(21)]21nnrtntn根据傅立叶变换，参考信号r(t)可用三角函数的形式表示。设输入信号为：()xt1001()()()4(1)cos()cos[(21)]21pnnutxtrtVtntn1100112(1)2(1)cos[(22)]cos[2]2121nnnnVVntntnn式右边的第一项为差频项，第二项为和频项。经过低通滤波器（LPF），所有的和频项与的差频项都被虑除，最后滤波器的输出为：r(t)与相乘的结果为：2()cos()oVut说明被测信号通过相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)后，输出正比于被测信号的幅度、同时正比于参考信号与被测信号的相位差的余弦函数，同相位时，输出最大，从而实现鉴幅和鉴相。用一已知F0频率的信号与被检信号相乘,低通滤波后得ACOSQ;用已知F0频率相位差90度的信号与被检信号相乘,低通滤波后得ASINQ;平方和再开平方,得A.如已知F0频率的信号幅值为B,则得被测信号幅值C=A/B.说明:适合于锁相放大器检测的信号应该是单频率的，或者说传导频谱所占宽度是较窄的，也就是要求信号所携带的检测量(信息)的变化是很缓慢的，否则检出的信息就会因丢失高额分量而畸变。用锁相放大器测量弱光电信号包括下列几个基本步骤：1）通过调制或斩光，将被测光信号由零频范围转移到设定的高频范围内，使检测系统变为交流系统。2）用低噪声光电检测器将光信号转换成电信号，用锁相放大器在调制频率上对有用电信号进行选频放大。3）在相敏检波器中对信号解调，同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内。4）通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波，获得被放大的光电信号。采用锁相放大器检测处理光电信号具有下列特点：1）要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测。2）锁相放大器是极窄带高增益放大器，增益可高达1011（220dB），滤波器带宽可窄到0.0004Hz，品质因数Q值达108或更大。3）锁相放大器是交流信号/直流信号变换器。相敏输出正比于输入信号的幅度及其与参考电压的相位差。4）可以补偿背景辐射噪声和前置放大器的固有噪声，信噪比改善可达1000倍。取样积分器取样积分法(Boxcar方法)1工作原理•一个周期性的十分微弱的信号被背景噪声所掩埋，如何从背景噪声中检出这周期性的信号呢？•如图所示，是被噪声所淹没了的周期信号。Boxcar：形象地描述了取样积分法，取样积分又称为Boxcar方法•取样积分法工作的前提：1.微弱周期信号的周期是已知的；•这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性信号与被测物体作用后产生的。2.被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号的周期存在一定的关系。•相等，或者存在某种函数关系。取样积分的思路及原理取样门•如果我们能够很准确地对准周期信号的某一点（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中；•经过ｍ次取样后，如同同步累积法一样，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分,所以信号在噪声中显现出来。•如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。取样积分的思路•Boxcar法原理框图:上面讲的这种取样积分法，只能恢复周期性信号某一点的幅值，故称为定点式取样工作模式。定点式•周期信号波形的恢复必须在定点取样积分器的基础上，对周期信号的一周期内的各点进行扫描，把周期信号每一点的幅值都恢复出来，这就必须采取扫描工作方式。•取样积分器分类：)()()(实时取样多点信号平均器单点信号平均器扫描工作模式定点工作模式单点取样积分器变换取样2取样积分器与同步累积的异同点•取样积分分为两种：单点取样积分：只是对信号的某一点进行同步累积，从而加强信号而噪声相互消除，这称为单点取样积分；多点取样积分器，多点取样积分则可恢复原微弱信号的的波形。•同步累积法只是使信号同相地累积起来，同步积分器是在信号持续的半个周期内对信号进行积分。•取样积分器是对周期信号的某一点取样并累积。3取样积分器信噪比改善•输入端信噪比：•输出端经过m次取样并积分后，得到的信号是Vs0=mVsi。而噪声是随机的，且其均值为零，经过m次取样并积分后，得到的是m次功率相加，即：因此，输出端信噪比是：22nisinisiVVPP220ninVmVnisinisinisinsnsPPmVVmVmVmVVPP22222202000门积分电路•在普通的RC积分电路中增加一个取样门，变成门积分电路就构成了基本的取样积分器。121()sincos/RngRstnntnTTVS(t)VO(t)RC~K......1tTR0s(t)Tg/2一个取样积门积分电路的充电过程•取样积分M次后，电容器C两端的电压Vc上升到0.63Vin，则对输入电压的积分时间为CgTMTRC0Vct•考虑到门积分电路径相邻两次有效积分之间的等待时间，取样积分M次后，取样积分器输出达到输入的0.63，总时间为•对S/N实际起作用的是在两倍观察时间常量之内。ORRgRCRCTMTTT0Vct扫描取样积分器•在定点取样积分的基础上，顺序改变取样点的位置，就得到以扫描方式工作的取样积分器。如图所示：当取样脉冲对准t1位置取样积分m次后，将取样脉冲在时间轴上向右移动Δt（一般来说ΔtTg）对准t2位置再取样m次，然后又向右移动Δt，对准t3取样积分m次……直到取样脉冲移动扫过信号的一个完整的周期。扫描式取扫描式取扫描式取扫描式取由于慢扫描电压相对于时基电压变化十分缓慢，因而取样脉冲相对于触发脉冲的移动也是十分缓慢的，以至在输入的被测信号波形上每一“点”依次可以掠过多个门宽的取样脉冲，从而对波形每个取样“点”进行多次积累平均。•若Tg/Δt=ns，即当移动ns次后，正好是一个门宽Tg的间隔，那么可以证明，在线性累积扫描工作方式的取样积分器中，ns是用来计算信噪比改善的测量次数，即：•实际上这里的ns即前述的m，对准某一点取样的m次，是通过重迭扫描来实现的。snSNIR•设被恢复的弱信号之周期为T，取样脉冲步进时间为Δt，要对弱信号一个周期取样完毕，而每个周期又只取样一次，故所需时间为：•因此在积分器输出端得到的输出波形是将原被测信号拉长了ni倍的波形;•因此这种取样方式又称之为变换取样，波形如图:TnTtTi•注意为了使被恢复的信号波形不产生失真，要根据信号所包含的最高频率fmax来确定取样脉冲的宽度Tg。多点信号平均器•扫描取样积分器在信号重复出现的一个周期内只对信号取样一次，niT的时间取出一个周期的完整。扫描取样积分器在时间上的利用率是很低的。•为了缩短恢复波形所需要的时间，可以使用多个取样积分器，在每个信号重复周期内对信号逐次多点取样。•多点信号平均器就是这样一种实时取样系统，它等效于大量单点取样积分器在不同延时的情况下并联使用。多点信号平均器有模拟式和数字式两种:•模拟式多点平均器的存贮器是电容。•数字式多点平均器的存贮器是半导体存贮器。模拟式多点信号平均器原理框图如图所示：A取样时间控制逻辑触发A········输入触发输入输出•多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信号是一个强有力的工具。•Boxacr是单点步进多次取样平均，需要测量时间很长。多点信号平均器则是