–
普通的电压表，示波器，频率计等 使用方便，用途广泛
u 相关测量 – –
锁定放大器，同步积分器，数字滤波 器等 抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高
2
锁定放大器的工作原理
u 1962年第一台仪器问世，发现俄歇效
两个随机过程的相关性
u 对两个信号，定义相关函数 –
应。据统计，已在几百种场合中得到应 用。在弱信号探测仪器中锁定放大器是 一个非常重要的品种。 u 信噪比可低达10-5 。BW=0.0004Hz（相当 于Q值=108）。
–
被检信号与参考信号相对稳定不动； 有稳定输出--直流 被检信号与参考信号有相对运动；有 不稳定输出--交流
u 通过阻容电路（积分器）可滤除交流，
取出直流
锁定放大器的输出
Vo=Vi cosθ
θ是检信号与参考信号的夹角
参考信号的要求
u 从以上特点可知，参考信号一定要有被
测信号中某个特定成分。 – 参考信号源同时驱动被测设备，在实 验室常用这种方法。 – 从被测信号中提取同步信号，再转为 本地的参考信号。在无线通讯中只能 用这种方法，如电视。
互相关Rxy 函数
Rxy (t ) = Lim
T ®¥
1 ò T
T /2
-T / 2
x(t ) y (t - t )dt
两个随机过程的相关性
–
随机过程的相关性
–
互相关Ryx 函数：
自相关函数：
R yx
1 (t ) = Lim ò T
T ®¥
T /2
-T / 2
y (t ) x(t - t )dt
R (t ) = Lim
V (t) R V (t) P 低通 V O(t) O ’(t)
V R(t) V ’(t) R
f
3f
5f
5
锁定放大器的改进
–
正弦化
f
6
u 50Hz的谐波
可控硅斩波，整流，电感等造成正弦 波失真或毛刺 u 电气触点的通/断 – 触点的通/断总伴随着电火花或电弧
–
开关电源 – 大功率高频振荡器 u 1/f 噪声
–
1
+7
市电
+6 50Hz 150Hz +5
检测系统的屏蔽与接地
调幅 广播 典型宽带 干扰范围 调频 广播
单位带宽的相对功率
噪声与干扰
u 瞬时的或窄带的无用信号 u 市电50Hz 或100Hz （整流等）；电台；
干扰，把由于材料或器件的物理原因产 生的扰动称为噪声。
开关通/断；高能量的脉冲电流或电压； 机械振动；太阳活动；雷电等
实验室中的典型噪声环境
u 50Hz –
实验室中的典型噪声环境
u 高频信号
电源布线，仪器内部功率单元等
噪声与干扰
微弱信号检测与锁定放大器
上海交通大学物理实验中心 杨文明
u 通常把由于材料或器件的物理原因产生
的扰动称为噪声。 u 把来自外部的原因的扰动称为干扰，有 一定的规律性，可以减少或消除。 u 锁定放大器要解决的就是如何在很强的 外部干扰环境中检测弱信号。
噪声与干扰
u 宽带的或持续的无用信号 u 通常把可以减少或消除的外部扰动称为
+4
u 噪声的引入: –
100Hz
+3 200Hz
电容性偶合：电场引起，噪声源内阻 高 电感性偶合：磁场引起，噪声源内阻 低
+2
10
–
1
0 -8 -6 -4 -2 0 +2 +4 +6 +8
频率 实验室环境的噪声与干扰分布
噪声的屏蔽
u 电容性偶合： – –
噪声的屏蔽
u 电感性偶合 – –
降低电路的阻抗， 在噪声源与信号线之间建立导电屏 障，屏障接地。例屏蔽线，铜罩壳 等。
输 出
V t 0 V t 0
外 相位 内 内部振荡 方波产生
V 0 V 0 (b) F=180 o
平
均 电压
V t 0
锁定放大器的改进
u 矢量型：两个正交的参考信号
V (t) S V (t) P 低通 V (t) O
锁定放大器的改进
u 正弦化型：参考信号正弦化，消除多窗
口
–
多基矢
VS(t)
V (t) S
T ®¥
1 ò T
T /2
-T / 2
x(t ) x(t - t )dt
u 白噪声，自相关函数=0
相关检测
相关检测
u 设有信号S(t)，通过如上图所示的功
能器件，则有：
x(t) = S (t) + n(t)
R(t ) =
1 [ S (t ) + n (t )] [ S (t - t ) + n(t - t )] dt Tò
传输窗口（参考信号：方波）
相对振幅
偶次分量的测量
u 利用锁相环产生两倍频的参考信 频率是驱动信号频率的两倍。 用锁相环产生倍频。
频率
fR
3fR
5fR
4
乘法器的工作过程
积分器工作过程
被测信号
+
100%
V
-
接差动 积分器 信号地
＞ f
低通滤波器及特性
参考信号
V
测量 信
号
被测 信号
前置 滤波器
主放
2V s 0 t
1 V
参 考 信
号
灵敏度 DC放大 乘法器 积分器 T 参考 信号
V 0
0
+ 输出
+ -
+
t
输出
V 2V s 0
经 低通 后的 输 出 (平 均 电 压 ) t (a) F=0o V t 0 V t 0 平 均 电压 V t 0 (c) F =90 o (d) 任 意 相位 平 t 均 电压 t t
= RSS (t ) + Rnn (t )
x(t -t) =S(t -t) +n(t -t)
如果参考信号是“干净”的，则只剩下第一 项。
3
相关检测的矢量解释
u 参考信号：
相关检测的矢量解释
u 检测结果(对基矢投影)： – –
可看成是基矢(正弦波)或基矢的线性组 合（非正弦波，如方波） u 检测信号： – 可看成是由多个正弦信号的线性组合 u 旋转坐标系， ωR – 检测信号绕参考信号作相对转动
减少回路面积， 用铁磁性物质包围噪声源。例如，变 压器的外壳，双绞线。
接地
u 接大地：
测量技术的分类
u 非相关测量 – –
消除电位差；消静电。 u 接信号地： – 信号的公共点，提供信号回路，减少 阻 抗 。1MHz 低 频 以 下 可采 用 一 点 接 地，10MHz以上高频可采用大面积多 点接地。还要注意区分模拟地和数字 地。