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1、微弱信号检测与锁定放大器 上海交通大学物理实验中心杨文明噪声与干扰噪声与干扰u通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。u把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性，可以减少或消除。u锁定放大器要解决的就是如何在很强的外部干扰环境中检测弱信号。噪声与干扰噪声与干扰u宽带的或持续的无用信号u通常把可以减少或消除的外部扰动称为干扰，把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。噪声与干扰噪声与干扰u瞬时的或窄带的无用信号u市电50Hz或100Hz（整流等）；电台；开关通/断；高能量的脉冲电流或电压；机械振动；太阳活动；雷电等实验室中的典型噪声环境实验室中的典型噪声环境u50Hz电源布线
2、，仪器内部功率单元等u50Hz的谐波可控硅斩波，整流，电感等造成正弦波失真或毛刺u电气触点的通/断触点的通/断总伴随着电火花或电弧实验室中的典型噪声环境实验室中的典型噪声环境u高频信号开关电源大功率高频振荡器u1/f 噪声检测系统的屏蔽与接地检测系统的屏蔽与接地u噪声的引入噪声的引入:电容性偶合：电场引起，噪声源内阻高电感性偶合：磁场引起，噪声源内阻低噪声的屏蔽噪声的屏蔽u电容性偶合：降低电路的阻抗，在噪声源与信号线之间建立导电屏障，屏障接地。例屏蔽线，铜罩壳等。噪声的屏蔽噪声的屏蔽u电感性偶合减少回路面积，用铁磁性物质包围噪声源。例如，变压器的外壳，双绞线。接地接地u接大地：消除电位差；消静
3、电。u接信号地：信号的公共点，提供信号回路，减少阻抗。1MHz低频以下可采用一点接地，10MHz以上高频可采用大面积多点接地。还要注意区分模拟地和数字地。测量技术的分类测量技术的分类u非相关测量普通的电压表，示波器，频率计等使用方便，用途广泛u相关测量锁定放大器，同步积分器，数字滤波器等抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高锁定放大器的工作原理锁定放大器的工作原理u1962年第一台仪器问世，发现俄歇效应。据统计，已在几百种场合中得到应用。在弱信号探测仪器中锁定放大器是一个非常重要的品种。u信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当于Q值=108）。两个随机过程的相关性两个随机过程的相关性u对
4、两个信号，定义相关函数互相关Rxy 函数两个随机过程的相关性两个随机过程的相关性互相关Ryx 函数：随机过程的相关性随机过程的相关性自相关函数：u白噪声，自相关函数=0相关检测相关检测相关检测相关检测u设有信号S(t)，通过如上图所示的功能器件，则有：如果参考信号是“干净”的，则只剩下第一项。相关检测的矢量解释相关检测的矢量解释u参考信号：可看成是基矢(正弦波)或基矢的线性组合（非正弦波，如方波）u检测信号：可看成是由多个正弦信号的线性组合u旋转坐标系，R检测信号绕参考信号作相对转动相关检测的矢量解释相关检测的矢量解释u检测结果(对基矢投影)：被检信号与参考信号相对稳定不动；有稳定输出-直流被
5、检信号与参考信号有相对运动；有不稳定输出-交流u通过阻容电路（积分器）可滤除交流，取出直流锁定放大器的输出锁定放大器的输出Vo=Vi cos是检信号与参考信号的夹角参考信号的要求u从以上特点可知，参考信号一定要有被测信号中某个特定成分。参考信号源同时驱动被测设备，在实验室常用这种方法。从被测信号中提取同步信号，再转为本地的参考信号。在无线通讯中只能 用这种方法，如电视。 传输窗口（参考信号：方波）传输窗口（参考信号：方波） 偶次分量的测量偶次分量的测量u利用锁相环产生两倍频的参考信号方波只有奇次谐波，但如灯泡的光的频率是驱动信号频率的两倍。用锁相环产生倍频。乘法器的工作过程乘法器的工作过程积分器工作过程积分器工作过程锁定放大器的改进锁定放大器的改进u矢量型：两个正交的参考信号矢量型：两个正交的参考信号VR(t)VO(t) VS(t)锁定放大器的改进锁定放大器的改进u正正弦弦化化型型：参参考考信信号号正正弦弦化化，消消除除多多窗窗口口多基矢f3f5f锁定放大器的改进锁定放大器的改进f正弦化
