信号通道增益,折合到输入总动态范围为
总动态范围=动态储备+输出动态范围＝20?lgOVLFS （5） ?20?lgFSMDS它是评价锁相放大器从噪声提取信号能力的主要因素,输入总动态范围一般取决于前置放
大器的输入端噪声及输出直流漂移,往往是给定的。当噪声大时应增加动态储备,使放大器不因噪声而过载,但这是以增大漂移为代价的。当噪声小时,可增大输出动态范围,相对压缩动态储备,而获得低漂移的准确测量值。满度信号输入位置的选择要根据测量对象,通过改变锁相放大器的输入灵敏度来达到。
三.双相锁相系统
现行锁相放大器规格型号很多,可分为单相和双相两种。在单相锁相放大器中,输入信号和输出直流电压之间的关系,由式V0(t)?K?escos?决定。它说明单相锁相放大器只能静态测量振幅和相位的动态测量。为了能动态地测量振幅和相位,20世纪70年代后期发展了双相锁相放大器(或称锁相放大器)。
双相锁相放大器原理如图6所示。双相锁相放大器能同时检测用直流角坐标系表示的同相分量和正交分量;或用极坐标表示的幅值和相位,改变?并不引起幅值的变化。由图可知,待测信号Vs(t,?s)经信号通道后,被分别输入两个PSD电路,它们又分别被两个相互正交的方波信号Vr(t,?r)和Vr(t,?r?90)所驱动,最后在同相PSD中输出正比于Vs(t,?s)幅
o?s??r),在另一正交的PSD中输出电压为Kescos(?s??r)。利用值es的电压Kescos(向量计算机可以得到被测信号的极坐标表示形式。
图 6 双相锁相放大器原理框图
近二三十年来,锁相放大器在原理上无甚新的突破,仅在扩展仪器功能,提高仪器性能方面作了不少努力。近几年,锁相放大器在国内发展也十分迅速,研制和生产了许多产品,开始形成了系列,性能基本上能满足个方面的需要。另外,也引进了许多国外产品。
四.实验内容
1.锁相放大器
实验仪器:双综示波器;微弱信号检测技术实验综合装置,其中包括相关器插件盒,宽带相移器插件盒,选频放大器插件盒,前置放大器插件盒。多功能信号源插件盒,相位计插件盒,交直流噪声电压表插件盒,频率计插件盒等;ND-601型精密衰减计。
完整的锁相放大器由低噪声前置放大器,选频放大器宽带相移器,相关器等部分组成,其余为测试仪器。电路连接与10-1实验相关器的PSD波形观察及输出电压测量基本一样,多功能信号源正弦输出的信号分成两路,一路进入宽带相移器,从其同相端输出作为参考信号进入相关器的参考输入;另一路正弦信号首先进入精密衰减输入,与噪声混合并衰减,从其输出进入前置放大器输出,经其放大后输出进入选频放大器,经选频后最后输入相关器的信号输入端。 实验步骤为：
(1) 接通电源,预热两分钟。调节多功能信号源输出正弦波频率为1kHZ左右,电压为100mv;
调节ND-601型精密衰减器,使其衰减1000倍,输出为100;前置放大器增益开关置1000,接地浮地开关置浮地,测量接地开关置测量;选频放大器的增益开关置?10,Q的值置3,选频频率置1KHZ;相关器交流放大倍数置*10,直流放大倍数置?10,时间常数置1s。 (2) 用示波器观察相关器加法器输出,细调选频放大器的频率调节旋钮?0.1和?0.01档,
使输出电压最大。改Q值为30,重复调节选频频率,使输出信号电压最大,表明选频放大器的谐振频率已调节到信号频率。
(3) 观察相关器的PSD输出,首先调节宽带相移器,使待测信号与参考信号相位差为90°,
相关器直流输出为0,说明相关器有了一定抑制干扰的能力。然后再调节宽带相移器,使待测信号与参考信号的相位差为0°,这时相关器的输出应达到最大输出直流电压,此电压即为锁相放大器的输出电压。根据选择的个插件盒的放大倍数,输出电压应为10V,但由于放大倍数不十分准确,输出电压要有点误差。
(4) 为了进一步了解锁相放大器检测微弱信号的能力,熟悉锁相放大器的性能和使用方法,
由精密衰减器给出更小的电压,例如10?V,1?V等信号进行测量。测量时,注意观察
输出信噪比,时间常数,输入灵敏度之间的关系,接地对测量微弱信号的影响等,并讨论这些现象。 2. 双相锁相放大器
在单相锁相放大器的基础上,再增加一个相关器插件盒,就构成了双相锁相放大器。它由低噪声前置放大器,选频地方且，同相输出的相关器,正交输出的相关器等五部分组成。其输出可以有两种表示方式:一种是用直角坐标表示,输出电压为同相分量和正交分量,或称实分量和虚分量;另一种是用极坐标表示方式,输出为信号的幅值和相位。两者之间可以互相转换。设同相输出分量为V1,正交输出分量为VQ,则
V1?Kescos? （6） VQ?Kessin? （7）
通过矢量变换电路直角坐标的表示方式可以转成极坐标的表示式。
A?V12?VQ2 （8）
??arctanVQV1 （9）
式中A,Y分别为被测信号的振幅和相位。
电路连接同实验1基本一致,不同之处是:宽带相移器的同相输出的方波信号连接到同相相关器的参考信号输入端,正交输出的方位信号连接到正交相关器的参考输入端；选频放大器输出的待测信号同时连接到两个相关器的信号输入端。
信号 实验步骤为：
（1）接通电源，预热两分钟。调节多功能信号源输出正弦波频率为1KHZ，电压为100mv，调节ND-601型精密衰减器，使其衰减1000倍，输出为100；前置放大器增益开关置100，接地浮地开关置测量；选频放大器的增益开关置*10，Q值置3，选频频率置1KHZ；相关器交流放大倍数置*10，直流放大倍数置*10，时间常数置1s。
(2)用示波器观察任一个相关器加法器输出，细调选频放大器的频率调节旋钮*0.1和0.01档，使输出电压增大。改Q值为30，重复调节选频频率，使输出信号电压最大，表明选频放大器的谐振频率已调到信号频率。
（3）用示波器的两个探头分别测量同相相关器和正交相关器的PSD输出，用相位计测量宽带相移器的同相和正交之间的相位差。调节宽带相移器的相移，使正交相关器的输出为零，则同相相关器输出为最大。若两相关器的放大倍数完全相同，则两次输出的最大电压应相同，并能从示波器中观察到两者相位差/2的波形。两个相关器的输出电压由式（6）和式（7）决定。
（4）为了进一步了解双相锁相放大器的性能，可分别测量几组同相相关器和正交相关器的输出电压，待测信号与各自参考信号之间的相位，用式（8），式（9）计算出极坐标形式的振幅和相位，并进行分析。
五．思考题与讨论
1．单相锁相放大器和双相锁相放大器有什么区别和联系？
2．根据所学习的锁相放大器知识，试设计一个锁相放大器应用的事例。