微弱信号检测技术-LIA中的同步相干检测 2011-05

锁定放大器中的三种互相关接收技术2011-05-19相关器同步积分器旋转电容滤波器*三种同步相干检测技术相关（相干）检测工作原理所谓相关，是指两个函数之间有一定的关系。如果对这两个函数乘积,并长时间积分:①如果输出为零，则表明这两个函数不相关；②如果不为零，则表明两者相关。I原理电路对比1.相关器电路微分方程001001dVVVcdtRR2.同步积分器电路微分方程0000(1)(1)(1)1(1)(2)(2)(2)2(2)iidVVcIdtRdVVcIdtR原理图等效电路电路微分方程0000()()()()()()iidVtVcItPtdtRdVtVcItPtdtR正半周负半周3.旋转电容滤波器(a)原理图;(b)(c)等效电路;(d)开关信号（参考）II特性分析与比较1信号频率与参考的基波频率相等：当tTc（或Ti；τ）时，输出为直流电压信号，且与相位差余弦成正比。()R2信号为参考的偶次谐波且积分时间足够长：输出为零；即抑制偶次谐波输出。(2(1))Rn((21))Rn3信号为参考的奇次谐波且积分时间足够长：输出为直流信号，且具有理想的梳状滤波器频响特性。奇次谐波输出频响特性4信号偏离参考的奇次谐波一微小量且积分时间足够长：具有一定带宽的梳状滤波器频响特性输出，输出信号V0∝。((21))RnNf响应曲线0~/RVff5信号与参考同为同频方波且积分时间足够长：其输出与两者的相位差成线性，可用作方波鉴相器。6等效噪声带宽和积分时间常数：10021100121.238NNNNcfRCfffRCT1211121.238NNNNfRCfffRC(1)1(2)12(1)(1)112(2)(2)1114181.2381.2382NNNNNNNNifRCfRCffffffRC(1)(2)单级：两级：单级：两级：T同步积分器相关器旋转电容滤波器基波处等效噪声带宽总等效噪声带宽积分时间常数（Tc；Ti；τ）1Nf2(21)11()211NnfdfnTNfmaxmax831(,)(281(,)(2ciRsciRsTTffTTff最高失真50%；6dB失真）最高失真约30%；3dB失真）maxmaxmax2950RsRsRsffffff：载波（参考）频率；：调幅波（信号）最高频率。7积分时间常数的选择范围：III实用电路对比相关器旋转电容滤波器同步积分器几种典型的锁定放大器(LIA)以相关器为核心的LIA（出现最早，应用最广）以同步积分器为核心的LIA同步积分器与相关器联用的LIA外差式LIA(相关器方式，频率变换实现自动频率跟踪)双相LIA（采用两个相互正交的相关器方式）旋转电容滤波器与相关器组成的同步外差LIA锁定放大器的动态范围及动态协调过载电平满刻度信号电平最小可检测电平输入动态范围动态贮备输出总动态范围一、三个临界电平及动态范围的定义1、满刻度信号输入电平FS(Full-Scale)定义：提供系统最大输出指示的满刻度相干输入信号电平；即：仪器放大倍数最大时，使输出达到满刻度的输入电平。定义：输出稳定度乘以输出满刻度所需的相干信号峰值的输入电平。百分数测量：将LIA输出端短路，用记录仪记录其漂移量，再除以信号通道增益，折合到输出端即为MDS。2、最小可检测信号电平MDS(MinimumDiscernibleSignal)LIAMDSK总的输出漂移3、过载电平OVL(Overload)定义：使系统引起非线性失真的输入信号电平。（包括电路和噪声）即：过载时仪器工作在非线性状态，通常定义使信号输出产生5%误差的噪声电压为本仪器的OVL。4、输入总动态范围（评价LIA检测能力的极限指标）OVLMDS最大不相干信号峰值输入总动态范围，最小可检测相干信号峰值20()OVLLogdBMDS5、动态贮备6、输出动态范围OVLFS最大不相干信号峰值动态贮备，满刻度相干输入信号峰值20()OVLLogdBFSFSMDS满刻度相干输入信号峰值输出动态范围，最小可检测相干输入信号峰值20()FSLogdBMDS对数表示是评价LIA从噪声中提取信号能力的主要因素。对数表示意义：指LIA在维持满刻度输出条件下，输入端所能允许的最坏情况下SNR的直接量度！对数表示☆输入总动态范围=动态贮备+输出动态范围实例：两类锁定放大器动态范围讨论二、动态范围和频率的关系以基波分量讨论：第一类锁定放大器第二类锁定放大器三、白噪声过载白噪声干扰属宽带干扰，单位宽带内噪声功率相等且与频率无关。假设输入电路的噪声带宽为40kHz，伴有白噪声电压均方根值为340FS,参考信号频率为1kHz，试判断白噪声过载问题。（其中第一类LIA的OVL=100FS，第二类LIA的OVL=104FS)解析：40NfkHz；1.0RfKHz340NrmsVFS；直接采用第一类LIA远过载，因此不能用！瞬时噪声幅度在±3σ之间：333401020NPNrmsVVFSFS对于第二类：相关器前的有源滤波器是104FS，不过载。对相关器而言，OVL=100FS，要使白噪声不过载，则：'133.33NrmsVOVLFS；2''23404010.238433.310.2NrmsNNrmsNNrmsVkfVfHzV；即要求'04.122RNfffQQ根据四、动态协调☆输入总动态范围=动态贮备+输出动态范围OVLFSFSMDS交流增益KAC直流增益KDC根据实际情况，合理选择LIA的输出动态范围反映干扰程度反映响应程度锁定放大器的应用2011-05-26一、正确使用锁定放大器的步骤1.输入信号是占空比为1：1的交流信号；直流→交流（斩波器）2.输入信号与各类传感器（探测器）匹配（阻抗、频率、灵敏度和响应时间）3.选择前放以满足最佳噪声匹配（传感信号→前放→LIA）4.LIA的时间常数选择（Tc；Ti；τ→ENBW）5.合理的参考信号获得（或频率自动跟踪闭环式LIA）6.LIA具有F和2F的选择开关，以测量信号基波和二次谐波7.注意动态协调问题8.常规的屏蔽和良好的接地措施二、信号的斩波调制1定义：把直流信号变为交流信号，并将信号进行取样变换和处理，使信号按比例保存原信号的所有频谱。2光学斩波器——斩光器：使连续光变成占空比为1:1的交流信号。各种斩光调制盘孔径及输出波形实际斩波器的斩光盘与驱动器（单频、双频）3斩光器的性能指标：频率范围：1Hz~数KHz；频率稳定度：电源电压波动/斩光盘机械配置/电机和电路温漂时漂等引起。V~+-10%;Δf0.05%；1h时漂0.2%。相位抖动：参考与信号的相对相位抖动，取决于机械加工精度0.50rms参考信号输出：具有1:1方波输出的参考信号三、锁定放大器的应用实例1、光纤衰减特性测量振荡及驱动级光源斩波器单色仪探测器锁定放大器光纤衰减特性曲线000()()()10/VVLogL2、样品透过率测量（源补偿法、双光束测量法和双频双光束检测法）伺服马达源补偿法比例计探测器1输出试验样品锁定放大器1单色光分光镜斩光器探测器2锁定放大器2信号光参考光参考信号双探测器双光束测量法双频双光束检测法分束镜50:503、光声光谱测量光源照射样品声波声敏元件光声信号记录仪波长扫描控制光声光谱入射光波长对声强的关系图谱反应了样品的吸收情况单光束光声光谱仪透镜斩波器光源单色仪光声池前置放大器锁相放大器参考信号记录仪计算机检出波长扫描控制器微音器难以克服光源强度随波长及时间漂移而引起的误差难以扣除光声池和试样以外的其他物质所产生的背景信号解决方法：双光束光声光谱仪信号与光强成正比，用参考信号归一避免光源波动引起的误差透镜斩波器分束器光源单色仪光声池前置放大器锁相放大器参考信号记录仪波长扫描控制器参考池前置放大器除法电路双光束光声光谱仪既校正了光源强度随波长的变化及时间的漂移又扣除了光声池及试样基体的背景信号把光分成2束放置炭黑的参考池归一光源透镜1透镜2光声池单色仪锁定放大器fRffR与f同频波长扫描控制器X-Y记录仪前置放大器斩波器光声光谱的特点常用于气体中低浓度物质的检测不受试样形状和形态的限制，无需前处理试样用量少，mg级由于测无辐射部分，适用于高散射、辐射及不透明物质灵敏度高，液样最低浓度0.05ng/ml适用性广，气、液、固样及化学反应过程激光光源和光声池要求高，仪器价格昂贵检测污染气体的噪音极限灵敏度光声光谱的应用固体试样无需前处理适用于高散射、辐射(粉末)及不透明物质K2Cr2O7粉末的光声光谱图，与K2Cr2O7水溶液谱十分相似表层分析可获得表层厚度的信息干燥海藻的光声光谱这是用几mg干燥海藻所得到的光声光谱。利用光声光谱技术，只要几mg的植物和动物体原料，就可测定它的二级代谢物的类型和浓度，即测定机体代谢的化学副产物。4、光源光谱分布测量采用双探测器双光束系统或采用双频双光束系统加一个单色仪5、电阻阻值随随温度变化测量6、低噪声放大器噪声系数测量7、自来水浊度测量光电接收器斩光器锁定放大器fRf输出浊水样品D光源透镜滤光片思考题6参考：