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(cè)的目的。今天安泰測(cè)試為大家介紹用斯坦福鎖相放大器檢測(cè)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(cè)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(cè)信號(hào)幅值,無法檢測(cè)。
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(cè)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
4. 待測(cè)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(cè)信號(hào)大很多,無法檢測(cè)。
5. 不用帶通濾波器,在放大器后面加一個(gè)相敏檢測(cè)器PSD。PSD可以在帶寬為0.01Hz的情況下,檢測(cè)到10kHz的信號(hào)
6. 此時(shí),待測(cè)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(cè)。
鎖相放大器檢測(cè)原理
相敏檢測(cè)技術(shù)
利用與待測(cè)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(cè)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(cè)信號(hào)與參考信號(hào)頻率相同
2. 先將被測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)到待測(cè)信號(hào)了。但是我們又不知道待測(cè)
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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)到待測(cè)信號(hào)的幅值變化了,大功告成。
以上就是鎖相放大器檢測(cè)微弱信號(hào),你學(xué)會(huì)了嗎?更多信息歡迎登陸安泰測(cè)試進(jìn)行訪問。
審核編輯:湯梓紅
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