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锁相放大器的工作原理及如何选择锁相放大器已有3人参与
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在测量各种物理量（如温度、加速度等）时，用传感器将其变换为电信号，然后输入到分析仪或测量仪器，有时候，仅想获得必要的信号是很难做到的。通常情况下，连不必要的噪声信号也会被一起测量。实际上，在各种情况下，各种类型的噪声都有可能混进来。此外，根据不同场合，有时也会出现噪声强度远远高出所需要的目的信号电平的情况，如果测量的信号越弱，那么噪声就相对的越大。对于微弱信号的基本处理通常是放大信号，传统的放大处理，在放大信号的同时也放大了噪声，而且在不进行带限或滤波处理的情况下，任何放大操作都将使得信号的信噪比下降。因此，必须先采用滤波手段提纯信号，提高信噪比，以实现对微弱信号的准确测量。 假设要放大的信号是一个10nV，10kHz的正弦波信号，好的低噪声放大器有大概5nV/√Hz的输入噪声。考虑下列情况： (1)放大器的带宽为 100kHz，增益为1000，则放大后信号为10µV (10nV x 1000)，宽频噪音为 1.6mV(5 nV/√Hz x √100kHz x 1000)。 没有办法测量到该输出信号。 (2)在放大器后加一个理想的带通滤波器，其品质因子Q=100，中心频率在10kHz，则所有在100Hz(10kHz/Q) 带宽内的信号都会被检测到。此时输出信号仍为10 µV，而滤波器通带内的噪声大小为50 µV (5nV/√Hz x √100 Hz x 1000)。 输出噪声仍比输出信号大很多，没办法进行测量。 (3)在放大器后加一个相敏检测器(PSD)。PSD可在带宽仅为0.01Hz的情况下检测到10kHz的信号。在此带宽下，输出信号仍为10µV，噪声只有0.5µV (5 nV/√Hz x √.01Hz x 1000)。 信噪比为20，可以对信号进行准确的测量。 锁相放大器主要是基于互相关方法的微弱信号检测技术，其核心是相敏检测技术，利用与待测信号具有相同频率和固定相位关系的参考信号为基准，滤除与参考频率不同的噪声，从而提取出有用的信号组分。 此外，通常情况下，如果测量的有用信号的幅值在几个纳伏到几个毫伏的话，对于周期性的电信号，使用锁相放大器检测会得到比较好的结果。如果被测信号的占空比小于15%（占空比是指一个信号周期中有用信号长度与信号周期的比值），那么需要使用Boxcar平均器测量。如果所测量的信号是几个到几千个光子的数量，那么需要使用单光子计数方法。 锁相放大器工作原理简述 锁相放大器主要用来把周期性的被测信号从强噪声环境下提取出来。锁相放大器采用的算法主要是相关测量法，简言之，是被测输入信号Vs（Vs=Acos(ωst+θ)，A是输入信号的幅值，ω是信号的角频率，θ是信号的相位角）和参考输入信号Vr（Vr=Acos(ωrt+φ)）在相敏检测器（mixer）处进行混频相乘得到Vpsd=Vs*Vr值，该Vpsd式子里面含有直流项、2ω项以及噪声与Vi的乘积项。由于采用相关检测法（输入信号的频率与参考信号的频率相同，也即ωst=ωrt），噪声与Vr的乘积项是不相关的，所以经过积分后为0。剩下的部分经过低通滤波器（LF filter）后，通过调节低通滤波器的带宽，可以滤除掉2ω项，所以，最后只剩下直流项，也就是Vout=Vs*Vr=ABcos(θ-φ)=x，经过第二个相敏检测器后的直流项是Vout=Vs*Vr=ABsin(θ-φ)=y，如果取△ψ=θ-φ即输入信号与参考信号的相位差，那么x=ABcos(△ψ)，y=ABsin(△ψ)，输入信号的幅值R=sqrt(x^2+y^2)，theta=△ψ=atan(y/x)。x和y值是直角坐标系下的两个参数，R和theta是极坐标下的两个参数，这4个参数都可以直接在锁相放大器中读出来。 锁相放大器的参考信号 由于锁相放大器在测量输入信号时，需要提供参考信号，因此，锁相放大器的参考信号可由外部提供，也可由内部提供，故锁相放大器分为内部参考和外参考方式。内部参考方式主要是由锁相放大器内部的正弦信号发生器产生的信号作为参考信号，同时，该产生的信号也是提供给外部测量器件的驱动信号。外部参考信号主要用函数发生器提供比如sine参考信号、方波信号等。 信号连接方式 当使用锁相放大器测量被测信号时，第一步需要把被测信号连接到锁相放大器的输入端口，如果是电压信号就连接到lock-in的电压输入端口；如果是电流信号就连接到lock-in的电流输入端口。第二部选择参考信号输入连接，如果是内部参考方式，不要做任何连接，lock-in内部产生的输出信号作为参考信号；如果是外部参考方式，需要把外部参考信号比如信号发生器提供的TTL信号、电光调制器EOM、声光调制器AOM等的信号连接到lock-in的参考信号输入端口。第三部，根据使用的锁相放大器，查看lock-in的使用手册，查看外部参考信号连接时的参数设置方式。经过上述3个步骤后，锁相放大器会自动测量出被测输入信号的幅值和相位或者x和y值。 测量数据保存 不同的锁相放大器保存测量数据的方式会有所不同。有些lock-in测量出的数据可以通过数据采集卡采集后保存到本地电脑上，供后续数据处理；也有些锁相放大器测量的数据可以直接保存到本地电脑上，供后续数据处理，不需要使用采集卡。在测量结果显示方式上，部分锁相放大器提供了数值显示功能（测量值以具体数值的形式显示）和曲线显示功能（测量值以曲线图的形式显示）。数据保存的格式通常有.csv、.mat格式，供后续用Excel、origin、MATLAB、R、Python等绘图软件作图。 锁相放大器与其他软件LabVIEW、MATLAB等的连用 在部分实验中如量子计算、离子阱测量、太赫兹光谱测量、多光谱实时测量等，锁相放大器本身的操作软件无法满足实验的需要，此时，需要使用LabVIEW、MATLAB、Python等获取锁相放大器测量的数据并利用这些数据进行作图。在这种情况下，就需要锁相放大器提供这些外部软件的API接口如C++、LabVIEW、MATLAB、Python、.NET等。使用这些软件可以获取锁相放大器测量的数据并对数据做进一步的处理与分析。 锁相放大器的应用领域 先进SPM/AFM/STM成像，介观系统，自旋电子，碳纳米管，量子计算，捕获离子，电路QED，太赫兹光谱，CARS/SRS光谱，频率梳，振荡器与共振器，陀螺仪，阻抗测量，太阳能电池，微流体单细胞检测与分选，阻抗测量，非破坏性测试NDT，雷达检测，核与粒子物理等。 如何选择锁相放大器？ 根据具体的实验和测量信号的特点，需要关注如下几个锁相放大器的参数： 1）测量带宽--锁相放大器能够测量的最大输入信号的频率 2）时间常数--lock-in里面低通滤波器的时间常数，与改善信噪比有关 3）动态储备 4）电压输入噪声 5）采样率--该值影响到锁相放大器的最大声输入信号是多少 6）AD转换器的位数 7）解调器的数量--同一台锁相放大器，可以同时解调多少个输入信号频率的个数 8）内部振荡器的数量 9）外部参考信号的数量--使用外部参考信号时，一台锁相放大器可以同时测量输入信号频率的个数 10）电压输入端口的数量、电流输入端口的数量 11）参考信号输入端口的数量 12）操作软件 13）与其它软件兼容的API 14）可升级的其它功能如PID控制器、锁相环PLL、Boxcar平均器、任意波形发生器AWG等 15）操作软件的辅助功能如示波器、频谱分析仪、扫频仪等 16）价格 17）技术服务--售后与维修服务  锁相放大器测量信号的示意图.PNG  锁相放大器的工作原理.PNG |
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