微弱信号检测与锁定放大器

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

2. 噪声与干扰 • 通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。 • 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。 • 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。

3. 噪声与干扰 • 宽带的或持续的无用信号 • 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。

4. 噪声与干扰 • 瞬时的或窄带的无用信号 • 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

5. 实验室中的典型噪声环境 • 50Hz • 电源布线，仪器内部功率单元等 • 50Hz的谐波 • 可控硅斩波，整流，电感等造成正弦波失真或毛刺 • 电气触点的通/断 • 触点的通/断总伴随着电火花或电弧

6. 实验室中的典型噪声环境 • 高频信号 • 开关电源 • 大功率高频振荡器 • 1/f 噪声

8. 检测系统的屏蔽与接地 • 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

9. 噪声的屏蔽 • 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。

10. 噪声的屏蔽 • 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。

11. 接地 • 接大地： • 消除电位差；消静电。 • 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。

12. 测量技术的分类 • 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 • 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

13. 锁定放大器的工作原理 • 1962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。 • 信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当于Q值=108）。

14. 两个随机过程的相关性 • 对两个信号，定义相关函数 • 互相关Rxy函数

15. 两个随机过程的相关性 • 互相关Ryx函数：

16. 随机过程的相关性 • 自相关函数： • 白噪声，自相关函数=0

17. 相关检测

18. 相关检测 • 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。

19. 相关检测的矢量解释 • 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） • 检测信号： • 可看成是由多个正弦信号的线性组合 • 旋转坐标系，ωR • 检测信号绕参考信号作相对转动

20. 相关检测的矢量解释 • 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 • 被检信号与参考信号有相对运动；有不稳定输出--交流 • 通过阻容电路（积分器）可滤除交流，取出直流

21. 锁定放大器的输出 Vo=Vi cosθ θ是检信号与参考信号的夹角

22. 参考信号的要求 • 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。

23. 传输窗口（参考信号：方波）

24. 偶次分量的测量 • 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。

25. 乘法器的工作过程

26. 积分器工作过程

29. 锁定放大器的改进 • 矢量型：两个正交的参考信号 VS(t) VO’(t) VR’(t)

30. f 3f 5f 锁定放大器的改进 • 正弦化型：参考信号正弦化，消除多窗口 • 多基矢

31. 锁定放大器的改进 • 正弦化 f