锁相放大实验报告

时间：2021-09-24　来源：博通范文网本文已影响人

锁相放大实验报告

摘要

本实验利用锁相放大器对微弱信号中的噪声进行抑制并对其进行检测，了解相关检测原理，锁相放大器的基本组成；掌握锁相放大器的正确使用方法及在检波上的应用。通过实验学会锁相放大器的使用，掌握利用锁相放大器来观察信号输入信号通道前后的幅值以及波形情况，获得相位角与电压、放大倍数与电压的关系，并且通过噪声的观察知道如何消除噪声。

关键词

锁相放大器，通道，噪声带宽，信噪比正文

锁相放大器己成为现代科学技术中必不可少的常备仪器。国内 72 年南京大学首先从事这方面的研究工作，1974 年研制成了第一台实验室样机，继后物理所等单位相继进行了这一方面的研究工作，1978 年才有了工厂生产产品。现在测量毫微伏量级的信号已是可能。锁相放大器在涉及到微弱信号检测的各个领域都已得到了广泛的应用。

一、实验原理简析锁相放大器就是用来检测淹没在噪声中的微弱交流信号。本质上，锁相放大器是一个具有任意窄带宽的滤波器，其频率调谐到信号的频率，排除掉大多数不需要的噪声而只允许被测量信号通过。除了滤波，锁相放大器也能够提供增益，锁相放大器可以从噪声中提取比噪声小 1000 倍甚至 10000 倍的信号，锁相放大器的信噪改善比特别高它可用于测量交流信号的幅度和相位。有极强的抑制干扰和噪声的能力，有极高的灵敏度。

1.相关检测原理所谓相关就是指两个函数间有一定的关系，如果他们的乘积对时间求平均（积分）为零，则表明这两个函数不相关（彼此独立）；如不为零，则表明两者相关。由于互相关检测抗干扰能力强，因此在微弱信号检测中大都是采用互相关检测原理。

如果 ) (1t f 和 ) (2  t f 为两个功率有限的信号，则可定义其相关函数为：

   TT ldt t f t f T R ) ( ) ( 2 / 1 lim2 1 ) ( 由于噪声的频率和相位都是随机量，它的偶尔出现可用长时间积分使它不影响信号的输出。因而可以认为信号和噪声，噪声和噪声之间是互相独立，相关函数为零，通过推导，则：

   YTr sdt t v t T R ) ( ) ( 2 / 1 lim) ( 

由此可知，对两个混有噪声的功率有限信号进行相乘和积分处理（即相关检测）后，可将信号从噪声中检出，噪声被抑制，不影响输出。

根据相关检测的原理设计的相关检测器是锁定放大器的心脏。

通常相关器由乘法器和积分器组成。常采用方波做参考信号，而积分通常由ＲＣ低通滤波器构成。

待测信号：ts se tcos) (  ；参考信号：        tr re t  cos) ( ；式中  为两信号的延迟时间，他们进入乘法器后，变换输入为) (t ，若有两个信号频率相同，则 0    。通过低通滤波器后，高频信号被滤去，于是：（Ｋ为低通滤波器的传输系数有关的常数）

因而，两个相关信号为同频正弦波时，经相关检测后，其相关函数与两信号幅度的乘积成正比，同时与他们之间的相差余弦成正比，特别是当待测信号和参考信号同频同位相，即 0    ， 0   时输出最大，即r s ome Ke   。

由此可知，参考信号也参与了输出。基于模拟乘法器对参考信号稳定要求极高的缺陷，现行设备中常采用开关式乘法器构成。

开关乘法器,称为相敏检波器（PSD）。相关器由 PSD 与 LPF 组成。此时待测信号 ) (ts 为正弦信号。参考信号 ) (ts 为方波信号，即

当ωr=ωs 时 Vo(t)=Ke s cosφ，上式表明，输出仅与待测信号的幅度 e s 成正比，也是两信号的相差φ成正比。

以上我们假设噪声与信号不相关，通过相关检测器后噪声被抑制，到由于低通滤波器的积分时间不可能无限大，实际上仍有噪声输出，它与时间常数有关，通过加大时间常数可以改善信噪比。

2、锁相放大器对噪声的抑制（1）等效噪声带宽对于输入噪声通常用等效噪声带宽（ENBW）来表征滤波器抑制噪声的能力。PSD 的基波等效噪声带宽应为 RC 低通滤波器等效噪声带宽的 2 倍。

对于白噪声，相应谐波等效噪声带宽为：

,总的等效噪声带宽为

（2）信噪比改善（SNIR）

信噪比改善是指系统输入端信噪比与输出信噪比的比值，锁相放大器的信噪比改善常用输入信号的噪声带宽与 PSD 的输出噪声带宽之比的平方根表示：

二、实验内容

1、相关器的 PSD 波形观察及输出电压测量和波形记录

（1）按上图要求正确连接电路；（2）接通电源，预热二分钟，调节多功能信号源，输出正弦波，输出频率为1kHz左右；（3）调节输出幅度旋钮，用交流、直流、噪声电压表测量输出交流电压，使输出100mv；（4）置相关器直流放大倍数×10，交流放大倍数×1，用示波器观察PSD的输出波形，调节宽带相移量观察PSD的输出波形；（5）测量相关器输出直流电压与相关器的输入信号对参考信号之间相位差之间的关系，用相位计测量φ值的大小，并用示波器观察记录下波形，从0°开始相位每隔30°测一次，总共测一个周期，即360°。

2、相关器谐波形响应的测量与观察（1）同实验 1 把上述实验连接图略作如下改变：将宽带相移器输入信号由1/n 输出（即 1/n 分频）送给；（2）多功能信号源功能“选择”置分频，由于相关器的参考信号为输入信号的 1/n 分频，即相关器的输入信号为参考信号的 n 次频；（3）先置分频数为 1，由示波器观察 PSD 波形及测量 PSD 输出直流电压，调节相移器，使输出直流电压最大，观察示波器波形，并记下电压值；（4）改变 n 为 1，2，3„„14，15，对任意 n 值重复上述操作，观察示波器波形，记下最大的电压值。

3、噪声的观察（1）将两台实验仪保持第一步的原电路，将两台电路连接在一起，一台实验仪作为噪声输入另一台实验仪。

（2）观察噪声的变化关系。

三、实验过程与数据处理 1 1 、相关器的 D PSD 波形观察及输出电压测量和波形记录

表 1：电压与相位的关系与波形记录相位差  /度直流电压/mv 波形 8 -780

28 -913

58 -806 略 78 -626

略 117 -220

119 -77.9

略 122 8.9

略 121 1.9

124 23.8

略 125 49.4

略 127 71.6

略 138 183.5

略 142 251

144 286

略 177 635

略 195 814 略 210 865

253 644

略 273 508 略

282 325 略 286 292

292 243

略 297 41.6

略 301 17.8

略 308 5.6

略 309 1.7

略 307 -1.2

备注：由于图像变化有一定的规律，因此表格中只选择了几个比较特殊的具有代表性的图像显示，其余的省略。

根据上述数据作相位角与直流电压的变化关系曲线如下：

结果分析：

验证电压与相位的关系的就是验证01cos( )2r sV e e  

。

根据图表可知，相位角与电压的变化关系趋势呈余弦变化趋势。本实验结果当相位角为零度的时候电压达到反向最大值，理论上应该是正向最大值，因此之间就存在了一个反向问题，或者可以说相位角相差了 180°。

由图像可以看出实验存在着比较大的误差，变化曲线不够光滑并且峰值并没有在 0°和 180°位置。分析原因可以归结为以下几点：

（1）实验仪器本身的问题，相位角调节旋钮位置调节旋钮与相位角的读数显示本身存在问题，仪器本身存在着相位偏移；（2）实验本身为微波实验，实验电路接线比较复杂，信号传输过程中，传输线之间存在着一定的干扰，接触不良等很多因素，因此干扰是不可避免的。

总体来说，虽然存在着很大的误差问题，但是相位角与电压的变化关系仍然可以看出呈余弦变化，所以01cos( )2r sV e e  

可以通过本实验验证。

2 2 、相关器谐波形响应的测量与观察

表 2：放大倍数 n 与直流电压的变化关系以及波形记录 n 直流电压波形读数 1（v）

读数 2（v）

1 1.2 1.3

2 0.04 0.03

3 0.37 0.41

4 0.01 0.02

5 0.24 0.23

6 0.02 0.01

7 0.18 0.22

8 0.01 0.01

9 0.14 0.13

10 0.02 0.01 略 11 0.11 0.12 略 12 0.01 0.02 略 13 0.09 0.08 略 14 0.01 0.01 略 15 0.08 0.08 略备注：由于图像变化有一定的规律，因此表格中只选择了几个比较特殊的具有代表性的图像显示，其余的省略。

根据上述数据作放大倍数与直流电压的变化关系曲线如下：

结果分析：

此步实验是为了验证01 4cos( )r sV e en 。

实验得到的结果本身存在很多的误差对结果取近似拟合后得到如上图所示的图像。由这些数据可知，01 4cos( )r sV e en 是成立的，当 n 为偶数时是为零，奇数时是一倍时的奇数分之一倍。

实验误差总的来说都可以归结为实验仪器的误差与信号干扰误差。

因此奇次谐波输出的直流响应电压为基波的直流响应电压的 1\n，偶次谐波的输出直流响应为 0。

3 3 、噪声的观察

将两台实验仪连接测得数据如下表所示：

信号源（KHz）

噪声频率（KHz）

倍数直流电压变化范围（V）

0.90693 0.90643 1 -0.640~0.590 1.820 2 0.920 2.718 3 0.878~0.951 3.628 4 0.921 4.533 5 0.893~0.945 5.431 6 0.920 6.349 7 0.760~1.075 7.251 8 0.920 8.164 9 0.744~1.068 9.029 10 0.922 9.981 11 0.886~0.949 结果分析：

当输入一个噪声信号时，若噪声频率和原参考信号频率一致，或者为参考信号频率的奇数倍，经过相关器处理的输出信号的电压值有比较明显的波动，导致锁相放大器的滤除噪声的功能失效。

四、实验总结本次实验相对来说还是成功的。其中遇到了许多的问题，在老师的指导与帮助下，在小组成员的努力下，最终还是得到了正确的实验结果。

通过这次实验，我对锁相放大器的原理和内部结构有了深刻的了解，知道了互相关函数的特征，及电噪声函数的特点了解了正弦函数与同频率、不同相位差的方波函数叠加后波形及幅值情况，并通过实验进行了验证；除此之外，我们验证了输入信号和参考信号倍频关系改变，输出直流电压的改变情况；最后还对噪声进行了观察。

但是，在实验过程中我们也遇到了很多的问题，比如没有用过该型号的示波器，使用的时候操作不熟悉，并且虽然我们的线路连接时正确的，但连线过于繁琐，导致整个实验的信号不太稳定等，实验中的电缆线中有些都是坏的，往往导致实验没有信号，做不出结果来。在实验中检查信号在哪条电缆线处被中断是很重要的，将信号传送入一条电缆，另一端接入示波器检测信号是否正确，来检测电缆是否正常。这都给我们实验带来了很大的麻烦，但在以后的学习与工作中将面对更多的实验仪器的问题，这次也算是对我们的一种锻炼吧，为以后积累更多的经验。

多级放大电路的设计与测试

电子工程学院

一、实验目的

1.理解多级直接耦合放大电路的工作原理与设计方法 2.熟悉并熟悉设计高增益的多级直接耦合放大电路的方法 3.掌握多级放大器性能指标的测试方法 4.掌握在放大电路中引入负反馈的方法

二、实验预习与思考

1.多级放大电路的耦合方式有哪些？分别有什么特点？

2.采用直接偶尔方式，每级放大器的工作点会逐渐提高，最终导致电路无法正常工作，如何从电路结构上解决这个问题？

3.设计任务和要求

（1）基本要求

用给定的三极管2SC1815(NPN)，2SA1015(PNP)设计多级放大器，已知VCC=+12V, -VEE=-12V，要求设计差分放大器恒流源的射极电流IEQ3=1~1.5mA，第二级放大射极电流IEQ4=2~3mA；差分放大器的单端输入单端输出不是真电压增益至少大于10倍，主放大器的不失真电压增益不小于100倍；双端输入电阻大于10kΩ，输出电阻小于10Ω，并保证输入级和输出级的直流点位为零。设计并仿真实现。

三、实验原理

直耦式多级放大电路的主要涉及任务是模仿运算放大器OP07的等效内部结构，简化部分电路，采用差分输入，共射放大，互补输出等结构形式，设计出一个电压增益足够高的多级放大器，可对小信号进行不失真的放大。

1.输入级电路的输入级是采用NPN型晶体管的恒流源式差动放大电路。差动放大电路在直流放大中零点漂移很小，它常用作多级直流放大电路的前置级，用以放大微笑的直流信号或交流信号。

典型的差动放大电路采用的工作组态是双端输入，双端输出。放大电路两边对称，两晶体管型号、特性一致，各对应电阻阻值相同，电路的共模抑制比很高，利于抗干扰。

该电路作为多级放大电路的输入级时，采用vi1单端输入，uo1的单端输出的工作组态。计算静态工作点：差动放大电路的双端是对称的，此处令T1，T2的相关射级、集电极电流参数为IEQ1=IEQ2=IEQ，ICQ1=ICQ2=ICQ。设UB1=UB2≈0V，则Ue≈-Uon，算出T3的ICQ3，即为2倍的IEQ也等于2倍的ICQ。

此处射级采用了工作点稳定电路构成的恒流源电路，此处有个较为简单的确定工作点的方法：因为IC3≈IE3，所以只要确定了IE3就可以了，而IE3UR4UE3(VEE)， R4R4UE3UB3Uon(VCC(VEE))R5Uon

R5R6uo1ui1采用ui1单端输入，uo1单端输出时的增益Au12.主放大级

(Rc//RLRL(P//）122

RbrbeR1rbe本级放大器采用一级PNP管的共射放大电路。由于本实验电路是采用直接耦合，各级的工作点互相有影响。前级的差分放大电路用的是NPN型晶体管，输出端uo1处的集电极电压Uc1已经被抬得较高，同时也是第二级放大级的基极直流电压，如果放大级继续采用NPN型共射放大电路，则集电极的工作点会被抬得更高，集电极电阻值不好设计，选小了会使放大倍数不够，选大了，则电路可能饱和，电路不能正常放大。对于这种情况，一般采用互补的管型来设计，也就是说第二级的放大电路用PNP型晶体管来设计。这样，当工作在放大状态下，NPN管的集电极电位高于基极点位，而PNP管的集电极电位低于基极电位，互相搭配后可以方便地配置前后级的工作点，保证主放大器工作于最佳的工作点上，设计出不失真的最大放大倍数。

采用PNP型晶体管作为中间主放大级并和差分输入级链接的参考电路，其中T4为主放大器，其静态工作点UB

4、UE

4、UC4由P

1、R

7、P2决定。

差分放大电路和放大电路采用直接耦合，其工作点相互有影响，简单估计方式如下：

，UC4VEEIC4RP2 UE4VCCIE4R7， UB4UE4UonUE40.7（硅管）由于UB4UC1，相互影响，具体在调试中要仔细确定。此电路中放大级输出增益AU23.输出级电路

输出级采用互补对称电路，提高输出动态范围，降低输出电阻。

其中T4就是主放大管，其集电极接的D

1、D2是为了克服T

5、T6互补对称的交越失真。本级电路没有放大倍数。

四、测试方法