锁相放大器实验报告BY陈群
浙江师范大学实验报告实验名称锁相放大实验班级物理071 姓名陈群学号 07180116 同组人刘懿钧实验日期 09/12/1 室温气温锁相放大实验
摘要: 锁相放大器(Lock-in amplifier，LIA)自问世以来，在微弱信号检测方面显示
出优秀的性能，它能够在较强的噪声中提取信号，使测量精度大大提高,在科学
研究的各个领域得到了广泛的应用。

它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。

因此，学生掌握锁相放大技术的原理与应用具有重要的意义。

关键词: 锁相放大器微弱信号 PSD信号
引言: 在进展一日千里的现代科技领域中，精密量测技术的发展对于近代工业有关键
性的影响。

当我们研究的系统日趋庞大，交互作用复杂，但所欲了解的现象却越来越精细时，如何在一大堆讯号中获得我们真正想要的信息便成为一个重要的课题。

一般的线性放大器可以将微弱的电子讯号放大，但若我们所要的信号中伴随着噪声信号，则两者都会一起放大，亦即此伴随的噪声无法滤除。

尤其当噪声强度远大于所要的信号时，即必须藉助特殊的放大器以同时放大讯号并滤去噪声。

锁相放大器是一种能测量极微弱的连续周期性信号的仪器。

这些微弱信号可以小至数奈伏特(nV)，甚至隐藏在大它数千倍的噪声当中，亦能精确的测得。

连续周期性信号与噪声不同之处，在于前者具有固定的频率及相位，
后者则杂乱无章。

锁相放大器便是利用所谓”相位灵敏侦测(phase-sensitive detection，PSD)” 的技术以取得具有特定频率与相位的信号，而不同于此频率
的噪声则被抑制下来，使输出讯号不受噪声影响。

实验方案:
实验原理
锁相放大器的基本结构如图所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)等。

信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的平台，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。

参考通道对参考输入进行放大和衰减，以适应相敏检测器对幅度的要求。

参考通道的另一个重要功能是对参考输入进行移相处理，以使各种不同的相移信号的检测结果达到最佳。

锁相放大器的核心部件是PSD，它以参考信号r(t)为基准，对有用信号x(t)进行相敏检测，从而实现频谱迁移过程。

将x(t)的频谱由ω=ω0处，再经LPF滤除噪声，输出直流信号，其幅度与两路输入信号幅度及它们的相位有关。

其输出
u0(t)对x(t)的幅度和相位都敏感，这样就达到了既鉴幅又鉴相的目的。

因为LPF 的频带可以做得很窄，所以可使锁相放大器达到较大的SNIR。

下图为不同相位时
相敏检测器的输出波形
不同相位时相敏检测器的波形
当两输入信号的振幅一定时，相敏检波器的输出与输入信号的相位差的余弦成正比。

两同相信号检波后输出最大;而反相时为负最大;相差900或2700时为零。

相敏检波器的原理比较简单，它的输出信号是输入信号与参考信号的乘积。

式中:为被测信号频率; 为随机噪声频率。

通过PSD后，输出
加低通滤波器，其输出
若大于低通滤波器截止带宽，后一项不通过低通滤波器输出;反之输出。

实际电路中，常采用的方波作参考信号，设，则参考信号的傅立叶级数表示为:
式中为方波的基波频率。

若信号为: ，则
经LPF的滤波作用，n,,的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩下n=1的差频项为:
最终将输出信号作为积分时间无限长的积分器的输入，完成互相关函数的求解。

实验步骤
1.按下图所示用电缆连接。

(2)接通电源后要预热二分钟，调节旋钮，使多功能信号源输出频率为1kHz的正弦波左右。

(注意接线时尽量简洁，以免加大噪声影响实验结果)。

(4)调节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，并用交流、直流噪声电压表测量相关器的输出直流电压，相关器低通滤波器的时间常数置于1秒。

调节宽带相移旋钮观察不同相位下PSD的输出波形并记录数据(注意在调节相位时，由于相位显示比较不稳定，故需耐心调节。

)
2VKKV,,cos0ACDCA,(5)把实测结果与理论公式相对比。

其中Vo——相关器输出的直流电压;KAC——交流放大倍数;KDC——直流放大倍数;
V,A——输入信号的幅值;为参考信号与输入信号之间的相位差。

2、相关器谐波响应的测量与观察
(1)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，其它连接与测量方法同实验1。

(2)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，并观察示波器波形相同于全波整流波形，相位计测量的相位差为0o。

记下上述数据。

(3)改变分数n为1，2，3……，对于某一“n”值测量重复上述测量。

实验数据处理
1、相关器的PSD波形观察及输出电压测量
() 角度度电压(伏特)
0 -1.026
30 -0.912
60 -0.569
90 -0.0064
120 0.47
150 0.83
240 0.513
360 -1.027
实验所得到的各个相位所对应的电压与带入公式所得的结果大致相同，90度时大致为0。

2、相关器谐波响应的测量与观察
分频倍数电压
1 -1.022v
2 -32.6mv
3 -0.367v
4 -38.4mv
5 -0.233v
6 -39.3mv
7 0.132v
8 -40.9mv
9 0.127v
10 -40.2mv
11 -0.103v
12 -40.9mv
13 0.103v
14 -42.9mv
15 -96.3mv 一些波形展示: (1) n=1
(2) n=2
(3) n=4
(4) n=8
实验结果:奇次谐波输出的直流响应电压为约为基波的直流响应电压的1\n，偶次谐波的输出直流响应约为0。

实验总结:
通过本次实验及在斯老师的指导下，我加对整个仪器系统的构造和原理有了相当的理解。

对于实验操作过程中所涉及的原理及步骤，更正一些错误的认识，有了正确的领会。

在调试实验仪器和测量的过程中，我锻炼了独立思考和动手操作的能力。

明白了大胆假设，小心求证的重要性以及考虑问题时需全面，细致。

锻炼了自身协作能力和动手能力。