鎖相放大器，是一種可以從干擾極大的環(huán)境中對(duì)特定頻率的電學(xué)信號(hào)進(jìn)行提取，還能進(jìn)一步聚焦和鎖定特定相位上步調(diào)一致成分的電子學(xué)儀器，從而濾除噪聲，達(dá)到微弱信號(hào)檢測的目的。今天安泰測試為大家介紹用斯坦福鎖相放大器檢測為微弱信號(hào)的方法。

假設(shè)要放大的信號(hào)是10nV，10kHz的正弦波信號(hào)，性能較好的低噪聲放大器的輸入噪聲有5nV/√Hz。

1. 放大器的帶寬為100kHz，增益為1000，待測信號(hào)放大后為

10nv×1000=10μV

2. 輸入噪聲為

5 nV/√Hz×√100kHz×1000=1.6mV

噪聲遠(yuǎn)大于待測信號(hào)幅值，無法檢測。

3. 在放大器后面加一個(gè)理想的帶通濾波器，其品質(zhì)因子Q=100，中心頻率為10kHz，則頻率在9.95kHz-10.05kHz范圍內(nèi)的信號(hào)

都會(huì)被有效地檢測到，頻率范圍計(jì)算過程如下

10kHz÷Q=100Hz，10kHz-100Hz/2=9.95kHz，10kHz+100Hz/2=10.05kHz

鎖相放大器

鎖相放大器

4. 待測信號(hào)依舊是10μV，噪聲經(jīng)濾波器濾波后變?yōu)?/p>

5 nV/√Hz×√100Hz×1000=50μV

噪聲仍然比待測信號(hào)大很多，無法檢測。

5. 不用帶通濾波器，在放大器后面加一個(gè)相敏檢測器PSD。PSD可以在帶寬為0.01Hz的情況下，檢測到10kHz的信號(hào)

6. 此時(shí)，待測信號(hào)仍然為10μV，而噪聲為

5 nV/√Hz×√0.01Hz×1000=0.5μV

信噪比為10μV/0.5μV=20，可以檢測。

鎖相放大器檢測原理

相敏檢測技術(shù)

利用與待測信號(hào)具有相同頻率和固定相位關(guān)系的參考信號(hào)為基準(zhǔn)，濾除頻率與參考信號(hào)頻率不同的噪聲。

1. 被測輸入信號(hào)Vs=Acos(ωt+θ)

參考輸入信號(hào)Vr=Bcos(ωt+φ)

A、B是信號(hào)的幅值，ω是角頻率，θ、φ是相位角。

被測信號(hào)與參考信號(hào)頻率相同

2. 先將被測信號(hào)用一個(gè)低噪聲放大器放大，使信號(hào)幅值達(dá)到能被模擬器件感應(yīng)到的范圍。

3. 被測信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)混頻器混頻，即兩信號(hào)相乘

Vpsd=Vs×Vr=AB/2[cos(2wt+θ+φ)+cos(θ-φ)]

當(dāng)然經(jīng)混頻器輸出的信號(hào)還有噪聲與Vr的乘積，所以Vpsd中含有直流項(xiàng)，2w項(xiàng)以及噪聲與Vr的乘積。因?yàn)樵肼曋泻衱角頻率的信號(hào)概率很小，所以可以認(rèn)為直流項(xiàng)只與被測信號(hào)成正相關(guān)。

4. Vpsd經(jīng)一個(gè)截止頻率很低的低通濾波器濾波，可以看作只保留直流成分，這樣輸出信號(hào)中的噪聲水平就很小了。

5. 因?yàn)橹绷黜?xiàng)為AB/2*cos(θ-φ)，如果θ-φ=90°，此直流項(xiàng)就成為0了，那我們就不能檢測到待測信號(hào)了。但是我們又不知道待測

信號(hào)的相位θ，所以無法設(shè)置參考信號(hào)的相位與待測信號(hào)相同。

6. 解決辦法是，將參考信號(hào)分為兩路，一路保持不變，與待測信號(hào)混頻，得到直流項(xiàng)

Vpsd1= AB/2*cos(θ-φ)

另一路經(jīng)移相器，相位減90°，再和待測信號(hào)混頻，得到直流項(xiàng)

Vpsd2= AB/2*cos(θ-90°-φ)=AB/2*sin(θ-φ)

7. 求Vpsd1和Vpsd2的平方和，再開平方，得

Vpsd=AB/2

與相位無關(guān)，這樣就可以檢測到待測信號(hào)的幅值變化了，大功告成。

審核編輯：湯梓紅